■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	초음파를 이용한 해저 지형 탐구			실험 원리	해저 지형 탐구
실험 시간	40분	실험 분야	물리, 지구과학	실험 방법	개별 실험
세트구성물	해저 지형판, 종이도안 2종(커버 도안, 3단 도안), 빨대, 나무스틱, 초음파 스틱 스티커, 양면 테이프
교사준비물				학생준비물	가위, 펜, 색칠 도구
실험 결과	학생 1인당 해저 지형 탐구 키트 1개를 가지고 갑니다.
실험팁	TIP 1. 해저 지형을 스스로 만들어 짝과 바꾸어 실험하면 모두 다른 해저 지형을 결과로 확인할 수 있어 더 재미있는 실험이 됩니다. TIP 2. 가위로 해저 지형판을 자르는 경우, 손을 다치지 않도록 주의합니다.

보이지 않는 깊은 바다 밑, 어떻게 깊이를 알아낼 수 있을까요?

무거운 돌을 줄에 매달아 내려 보아 알 수 있습니다, 긴 막대기를 내려 봅니다 등 다양한 의견을 적어 봅니다.

1. 여러분이 탐구한 바다는 가장 깊은 곳의 깊이가 얼마입니까?

가장 많이 걸린 초음파시간(s)에 (1500m/s)*(1/2)를 곱하여 깊이를 예측합니다.

2. 실제로 바다에서 초음파로 측정하여 예상한 해저 지형이 실제 모습과 다르다면 어떤 이유 때문일까요?

수온, 염분, 수압, 해류 등 여러 요인에 의해 초음파의 진행 속도가 달라지기도 하고, 물고기 떼나 다른 장애물에 의해 초음파가 해저에 닿지 않는 경우도 있습니다.

초음파  [ ultrasonics wave / supersound, 超音波 ]

주파수가 가청주파수 20kHz(킬로헤르츠)보다 커서 인간이 청각을 이용해 들을 수 없는 음파이다. 사람의 귀가 들을 수 있는 음파의 주파수는 일반적으로 16Hz~20kHz의 범위다. 주파수가 20kHz를 넘는 음파를 초음파라고 한다.

생활 속의 초음파

초음파세척에 많이 이용한다. 물속에서 초음파를 발생시키면 음파의 진동에 의해 수많은 거품들이 발생한다. 이때 거품이 진공청소기 같은 역할을 해서 물체 표면에 붙어 있는 이물질을 떼어낸다. 또한 음파가 1초에 수만 번 물을 진동시키기 때문에 마치 빨랫방망이로 두드려서 세탁하는 효과를 나타내기도 한다.

또 모기 같은 해충의 퇴치에 이용한다. 사람의 피를 빠는 모기의 암컷은 여름철 알을 낳을 때가 되면 수컷 모기를 피한다. 그러므로 수컷 모기가 내는 초음파를 방안에서 발생시키면 암컷 모기가 접근하지 않는다.

임신했을 때 태아의 형상을 보기 위해서도 초음파를 사용한다. 초음파를 복부에 발생시키고 태아로부터 반사되어 온 음파를 분석하여 아기의 모습을 영상으로 보여준다. 또한 건축물의 안정성이나 수명 등을 조사할 때 초음파를 이용한 비파괴검사를 한다.

소나  [ sonar ]

sonar는 sound navigation and ranging으로부터 유래한다. 좁은 뜻으로는 수중청음기 ·음향 탐신기를 말한다. 제1차 세계대전 중 영국 해군에 의해 조직된 애스딕(asdic)에 해당한다. 수중청음기는 잠수함 탐지를 위해 제1차 세계대전 이래 개발되어, 특히 제2차 세계대전 중과 전후에 급속히 발달하였다. 가시광선 등의 전자파와 레이더파는 바다 속에는 전달되지 않으므로 초음파를 써서 표정한다. 바다 속에 전달되는 소리의 빠르기는 바다의 상황에 따라 다르나 약 1,500 m/s이며, 물체에 닿으면 반사하여 되돌아오는 성질이 있어 각종 소나는 이것을 이용한다.

소나에는 음향탐신기형과 같이 스스로 소리를 내어 물체를 표정하는 것과(액티브소나), 수중청음기형과 같이 음원으로부터의 소리를 측정하여 그것을 표정하는 것(패시브소나)의 두 종류가 있다. 전자에는 음향탐신기 ·음향측탐기가 있는데, 음향탐신기는 초음파를 짧은 단속음(斷續音)으로서 발사하고 이것이 물체에 부딪쳐 반사하여 되돌아오는 데 걸리는 시간을 재어 물체까지의 거리를 측정한다. 또 송파기(送波器)를 회전시켜 그 방향을 탐지한다. 실제로는 레이더의 PPI 스코프 방식과 같으며, 브라운관 위에 거리, 주위에 방위를 눈금으로 새겨 주사선(走査線)이 송파기의 회전과 함께 회전하도록 되어 있으며, 반향음(反響音)이 되돌아오면 브라운관 위에 광점(光點)으로서 물체가 나타나 거리 및 방위를 탐지하게 된다. 음향측탐기 ·어군탐지기(魚群探知機) ·잠수함 및 지뢰탐지용 소나 ·해저의 구조를 탐측하는 사이드루킹(side looking) 소나 등은 이와 같은 본체가 음파를 내는 소나의 일종이다.

수중청음기는 지향성(指向性)이 높은 청음기를 여러 개 조합하여 도달음의 시간차로부터 방위를 알 수 있다. 조건이 좋을 때는 이 종류의 소나는 160 km 앞의 선박을 탐지할 수 있다고 하며, 선박의 종류 ·형태에 따라서 나타내는 소리가 달라 음향탐신기형에 비하여 배의 종류까지도 식별이 가능하다. 이들은 주로 바다의 표면 가까이에서 사용되는데, 수온의 구조가 복잡한 변온층(變溫層)이 있어서 음파의 굴곡과 속도의 변화가 일어나 유효거리는 제한을 받게 된다. 일반적으로 여름보다 겨울이 유효거리가 길며, 열대해와 한대해로서는 열대해쪽이 길다. 최근에는 함선에 장치되는 것 외에 비행기로부터 투하되는 잠수함 탑지용인 음파탐지기 부호에도 이용된다. 음향탐신기형인 소나에서는 보통 매초 5천∼5만 Hz인 초음파 펄스를 사용하고 있다.

해저지형 [ submarine topography, 海底地形 ]

해저의 지형으로 육상지형에 비하여 국부적인 기복이 적고, 경사는 완만한 편이다. 깊이에 따라 대륙붕, 대륙사면, 심해저, 해구 ·해연으로 나눈다.

육상지형에 비하여 국부적인 기복이 적고, 경사는 완만한 편이다. 깊이에 따라 다음의 네 가지로 나뉜다.

⑴ 대륙붕(大陸棚):대륙붕의 수심은 35∼240m의 범위를 나타내며, 전세계에 분포하는 대륙붕의 평균수심은 128m이다. 바다쪽 한계는 기울기가 급변하는 곳이며, 이 부분이 바로 대륙붕과 대륙사면의 경계부분이다. 대륙붕의 평균기울기는 어느 정도 범위를 가지고 변하나 약 1:500 또는 1km:2m의 기울기를 가지며, 경사도로 나타내면 약 0°07'이다. 폭은 거의 없는 상태에서 최대 130km의 범위를 가진다. 일반적으로 기복은 낮으며, 약 20m 내외의 자연적 기복을 가진다. 해저협곡 ·천해분지 및 해저곡은 대륙붕의 저지형(topographic low)을 이루고 있다.

⑵ 대륙사면(大陸斜面):대륙붕에서 바다쪽으로 연장된 해저지형으로 비교적 급한 기울기를 가지는 해저이다. 대륙사면은 1:2에서 1:40의 기울기 범위가 넓다. 각 대양저의 대륙사면이 가지는 평균경사도는 태평양에서는 5°20', 대서양에서는 3°34', 인도양에서는 2°55' 미만이다. 대륙사면은 평균수심 3,660m까지 발달한다. 그러나 대륙사면이 깊은 해구로 연결되는 경우에는 8,200m의 수심까지 이른다. 대륙사면의 기복은 1,000m 이상에 달하며, 특히 해저협곡에서는 큰 기복이 있다.

⑶ 심해저:심해저 평원(abyssal plain)과 심해저구릉(abyssal hill)으로 구성된다. 심해저평원은 1:1,000 이하의 기울기를 가지며, 심해저구릉은 집단적으로 모여 발달되며, 작고 다소 낮은 언덕형 지형이다. 심해저 평원은 저탁류에 의해서 운반된 퇴적물이 넓은 범위로 퍼져 퇴적되어 형성된 것이다. 심해저 구릉은 얇은 심해성 퇴적층으로 덮인 기반암이며, 수십 또는 수백 m의 높이를 가지며, 8∼10km의 둘레를 가진다. 수심은 2,000∼6,000m이다.

⑷ 해구 ·해연:수심 6,000m 이상의 좁고 긴 요지(凹地)를 해구라 하고, 그 중에 특히 깊은 곳을 해연이라고 한다. 해구는 호상열도(弧狀列島)와 관련되어 있으며, 전세계적으로 25∼27개의 해구가 있다. 해구의 폭은 20∼60km의 범위이다. 그 단면형은 V자형이고, 상부에서의 경사는 5∼6°, 하부에서는 20° 이상에 달하는 것도 있다. 이 밖에 뚜렷한 기복의 지형으로는 해저돌출부(oceanic rise) ·대륙대 ·해중산과 평정해산(平頂海山:기요) 등이 있다.