지구가 돌면 세면대 물도 돌까…과학자들이 밝혀낸 뜻밖의 진실

북반구에서 발생하는 태풍은 반시계 방향으로 돌면서 이동하지만 남반구 태풍은 시계 방향으로 돈다. 이 같은 현상에는 지구의 자전으로 발생하는 ‘코리올리 효과’가 작용한다.

코리올리 효과는 지구가 자전하는 과정에서 지표면 위를 움직이는 물체의 진행 방향이 휘어져 보이는 현상이다. 이런 전향력은 북반구에서는 진행 방향의 오른쪽으로, 남반구에서는 진행 방향의 왼쪽으로 작용한다. 태풍과 같은 저기압에서는 이런 전향력의 영향으로 공기가 중심부를 향해 이동하면서 회전하기 때문에 북반구의 태풍은 반시계 방향으로, 남반구의 열대저기압은 시계 방향으로 회전한다.

그렇다면 세면대나 욕조, 변기 배수구로 물이 빠질 때도 남반구와 북반구 위치에 따라 회전 방향이 달라질까.

과학매체 라이브사이언스는 과학자들의 분석을 인용해 코리올리 효과가 일상 속 세면대 배수구의 물 흐름에 실제로 얼마나 영향을 미치는지 기사로 다뤘다.

결론부터 말하면 이론적 원리상 영향이 전혀 없다고 할 수는 없지만 일반 가정에서 코리올리 효과로 인해 물의 회전 방향이 결정되는 현상을 관찰하기 어렵다는 게 전문가들의 설명이다.

핵심은 '시간과 공간의 규모'

기상 시스템이나 대형 해류처럼 물질이 매우 넓은 공간에서 장시간 이동할 때는 코리올리 효과에 따른 미세한 편향이 누적돼 뚜렷한 소용돌이를 형성한다.

핵심은 ‘시간과 공간의 규모’다. 코리올리 효과는 힘의 크기가 상대적으로 매우 약하기 때문에 눈에 띄는 변화를 만들어내려면 충분한 이동 거리와 시간이 확보되어야 한다. 태풍은 며칠 동안 수백㎞ 이상을 이동하지만, 세면대나 욕조의 물이 배수구로 빠져나가는 데는 불과 수 초밖에 걸리지 않는다.

수잔 혼 영국 코번트리대 수치·수학 유체역학 교수는 "유체 현상을 해석할 때는 항상 적절한 시간 규모와 공간 규모를 함께 고려해야 한다"고 지적했다.

지난 6월 일본에 상륙한 태풍 장미. 코리올리 효과 덕분에 구름이 어떤 방향으로 소용돌이 치는 지 볼 수 있다. (이미지= NASA 지구 관측소)

욕실처럼 협소한 공간에서는 물의 흐름을 결정짓는 다른 요인들의 영향력이 훨씬 크다. 물이 세면대로 들어오는 각도나 수전의 모양, 욕조 안에서의 미세한 움직임, 배수구 마개를 막았다가 뽑는 방식 등에 의해 이미 초기 회전력이 발생하기 때문이다.

세면대나 배수구 자체가 완벽한 대칭 구조가 아니라는 점도 변수다. 세면대의 미세한 기울기나 배관 구조의 형상이 물의 회전 방향을 좌우한다. 이 같은 일상적 요인들이 코리올리 효과보다 강하게 작용한다.

결국 동일한 세면대라 할지라도 물을 틀어놓는 방식이나 상황에 따라 시계 방향으로 빠지기도 하고 반시계 방향으로 빠지기도 한다.

극단적 통제 조건에서만 관찰 가능

그렇다면 배수구의 코리올리 효과를 관찰하려면 어떻게 해야 할까. 혼 교수에 따르면 물이 배출되는 속도를 극도로 낮추거나, 수조 및 배수구의 크기를 압도적으로 크게 만드는 방법이 있다.

유체역학에서는 이를 ‘로스비 수(Rossby number)’라는 무차원 수치로 설명한다. 로스비 수는 유체의 관성력과 지구 자전에 의한 코리올리 효과의 상대적 비중을 나타낸다. 로스비 수가 작을수록 코리올리 효과의 영향이 절대적이 되며, 반대로 로스비 수가 크면 유체 자체의 관성력과 외부 교란 요인이 주도권을 잡는다. 가정집 배수구는 물의 이동 속도가 빠르고 거리가 짧아 로스비 수가 매우 큰 환경에 속한다.

다만 외부 요인을 극도로 통제하면 코리올리 효과에 따른 회전 현상을 실증할 수 있다. 1962년 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 연구진은 국제학술지 ‘네이처’를 통해 잔여 운동을 완전히 제거한 대형 정류 수조 실험 결과를 발표했다. 수일간 물을 정지시킨 뒤 배수구를 열자 북반구 예측값대로 물이 반시계 방향으로 회전하며 빠져나갔다.

3년 뒤 호주 시드니대학교 연구진도 남반구에서 유사한 실험을 진행했다. 연구진 역시 외부의 교란 요인을 최소화하기 위해 엄격하게 실험 환경을 통제했고, 그 결과 물이 시계 방향으로 회전하는 현상을 관찰했다.