토네이도의 발생 방지 방법{METHOD OF PREVENTING TORNADO FROM OCCURING}

본 발명은 토네이도의 발생 방지 방법에 관한 것이다.

토네이도(Tornado)는 스페인어에서 뇌우를 뜻하는 트로나다(Tronada)를 어원으로 한 이동성 선형풍(旋衡風)이다. 고기압 또는 저기압 같은 대기 순환은 넓은 지역에 걸쳐 느리게 진행되는 반면, 선형풍은 반경이 작고 각속도가 클 때 발생하며 회전의 방향이 일정하지 않고 회전 방향에 상관없이 중심부는 저기압이다. 우리나라에서는 토네이도를 회오리 바람 또는 용오름이라고도 한다.

토네이도는 전세계의 여러 곳에서 일어나지만 미국만큼 빈번히, 그리고 격렬하게 일어나는 곳은 없다. 미국에서는 해마다 500 ~ 600회나 토네이도가 발생하며 대부분이 오후, 하루 중에서는 가장 더운 시각을 조금 지났을 무렵에 일어나고 또 뇌우를 동반한다. 보통의 토네이도는 중심의 직경 230m이고 지상을 통과하는 거리가 불과 30m 안팎에서 150km 이상이 될 때도 있다. 보통 깔때기 모양의 구름이 되어 나타나지만 때로는 곧바른 원통형이나 가늘게 구부러진 밧줄같은 형태이거나 코끼리의 코 같은 형상이 되어 지상을 휩쓸고 지나간다.

토네이도는 두가지 파괴력을 가지고 있다. 토네이도의 바깥쪽은 진로에 있는 거의 모든 것에 피해를 준다. 한편 깔대기 속의 기압은 낮기 때문에 그 속에 들어간 집은 내부의 공기가 팽창하는 압력에 의해 날아가 버리고 만다. 또한 비와 우박, 끊임없는 번개를 수반하여 보통 시속 70km의 속도로 이동하며 보통 몇분 동안 밖에 계속되지 않지만 그 수 분 동안에 엄청나게 큰 파괴력을 발휘한다. 토네이도는 이동하면서 목재, 나무, 가축, 가구, 가옥, 수레 등에 많은 피해를 주나 피해폭은 넓지 않다. 토네이도에 의해 인간이 하늘 높이 떠올려진 예까지 있다. 도 1에는 토네이도의 발생 예를 나타낸 사진을 보이고 있다. 한편, 토네이도가 일으키는 소용돌이의 최대 속도는 정확하게 측정되지 못하고 있다. 기상학자들은 아마도 시속 600km 정도는 될 것이고 어쩌면 음속에 가까운 시속 1000 ~ 1100km 까지 될지도 모른다고 생각하고 있다. 도 2는 인공 위성에서 찍은 기상 사진으로 가운데 소용돌이치는 구름이 나타나 있다.

우리나라에서 가장 최근의 토네이도 현상은 1988년 10월 18일 울릉도 근해에서 관측되었다. 해상에서 물기둥을 이루며 30분 정도 계속되었으나 보통의 토네이도 강도에 미치지 못했고, 육지에 상륙하지 않아 별다른 피해가 없었다.

본 발명은 상기와 같이 토네이도의 발생에 의한 예측 불허의 피해를 막기위해 토네이도의 발생을 원천적으로 제거하는 방법을 제공함을 그 목적으로 하고 있다.

도 1은 토네이도의 발생 예를 나타낸 사진이다.

도 2는 인공 위성에서 찍은 기상 사진이다.

도 3은 지표면상의 공기가 태양에너지로 인하여 양파 모양의 공기 덩어리로 급팽창된 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 4는 양파 모양의 공기 덩어리가 그 자체의 부력과 지표면 저변의 무거운 공기에 의해 상승 기류가 되는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 5은 상승되는 기류가 지표면 저변의 무거운 공기의 연속적인 흐름에 의해 가속되어 소용돌이 바람이 되는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 6는 발생된 토네이도가 주변 공기와 연속적으로 작용하는 모습을 보이고 있는 모식도이다.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 의한 토네이도 발생 방지 방법의 일예로서 다양한 형태의 숲을 보이고 있다.

도 8은 도 7a 내지 도 7f의 다양한 형태의 숲이 혼재되어 서로 연결된 연속 무늬 형태의 숲의 일예를 보이고 있다.

도 9는 일정 지역의 주변부에 엽록수숲을 형성한 일실시예를 나타낸 모식도이다.

도 10은 식재되는 숲의 나무 높이 및 식재 방법을 보인 모식도이다.

도 11은 강풍이 활엽수숲을 통과하면서 저항력에 의해 약화되는 모습을 보인 모식도이다.

**** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****

1:양파 모양의 공기 덩어리(AOD) 2:지표면

3:진공 공간(APT) 4a:지표면의 주변공기(TDH-1)

4b:상층부의 주변공기(TDH-2) 5:상승 기류

6:소용돌이 바람 10:연속 무늬 형태의 숲

11:일정 지역 12:엽록수숲

15:강풍 16:미풍

20:도로

본 발명은 지형과 지역 조건에 따라 전체 면적에 대해 45% 내지 60% 이상으로 일정 형태의 엽록수 숲을 형성하여 주변의 공기의 밀도, 습도, 온도가 급격히 변하는 것을 방지하고 항상 균일도를 유지함으로써 토네이도의 발생원인을 초기에 차단시키는 토네이도의 발생 방지 방법을 제공한다.

상기 엽록수 숲의 형태는 바둑판 무늬의 단위 형태가 연속적으로 배치된 형태 또는 원형, 삼각형, 사각형 등의 다양한 형태가 혼재되고, 각각의 단위 형태가 서로 연결되어 연속적인 무늬의 배치 형태를 형성할 수 있다.

상기 엽록수 숲의 단위 형태의 길이는 500 ~ 1000미터의 범위가 적당하며, 숲의 단위 형태의 폭은 50 ~ 100미터의 범위가 적당하다.

상기 엽록수는 높이가 2미터 이상으로 자라는 것을 선택하며, 상기 엽록수는 활엽수인 것이 바람직하다.

토네이도의 발생을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다. 주변에 분포되어있는 반경 수십 킬로미터 내지 수백 킬로미터 또는 그 이상의 범위를 가지는 공기가 자연적으로 형성된 얕은 구릉지나, 바다, 넓은 들판과 같은 지형 조건에 따라, 부분적으로 제한된 장소에서 태양 광선을 에너지 공급원으로 하여 지표면 잔열, 복사, 대류로 인해 급격히 팽창될 수 있다. 이 경우에 지표면상의 공기가 '양파 모양의 덩어리'(AIR ONION DOME; 이하, AOD로 표기)로 급격히 발달한 형태로 형성되고, 이 AOD가 자체의 부력에 의해 '급격히 수직으로 상승하는 기류'(이하, AODF로 표기)로 변할 때, 거의 진공에 가까운 그 빈자리에는 상대적으로 AOD 보다 무거운 '지표면상의 주변 공기의 흐름'(이하, TDH-1로 표기)이 양방향, 세 방향 또는 그 이상의 여러방향으로 급작스럽게 이동하게 된다.

'AOD가 빠져나간 빈공간'(AIR POCKET, 이하, APT로 표기)에는 지표면상의 주변 공기의 흐름(TDH-1)이 강한 맞바람으로 발생함과 동시에, TDH-1은 AOD를 급격히 치밀어 AOD의 급상승효과가 배가되며, 이 때 양 공기 덩어리의 충돌에너지가 지구 자전의 영향에 의해 자연적으로 순간적인 회전운동으로 변환된다. 초기에 저변 반경이 수십 내지 수백 미터 이상의 공기소용돌이(20000RPM 이상) 바람으로 발생함과 동시에 연속적으로 지표면 공기의 흐름(TDH-1)(4a)이 가속 공급원이 되어 공기소용돌이가 매우 짧은 순간에 회전 가속을 얻을 뿐만 아니라, 지표면 공기가 연속적으로 가속 이동되어 소용돌이 바람(이하, TRND로 표기)이 더욱강한 '상승기류'(이하, ADOF로 표기)로 가속을 받는다. 상기 소용돌이가 계속 상승하여 상층부(약 300 미터이상)에 도달하게 되면 '에너지원이 희석된 기류'(TDH-2)(4b)로 되면서 소용돌이의 반경이 확장된다.

지표면 공기의 흐름이 계속적으로 저밀도와 저습도, 고온도로 쪽으로 이동할 때 공기 덩어리의 밀도, 습도, 온도 등의 급변하는 차이점으로 공백 상태로된 공간에 주변 공기(TDH-1)가 연속적으로 공급되어 발생하는 맞바람 돌풍 현상이 토네이도가 발생하는 개략적인 모습이라고 할 수 있고, 이 현상은 공기의 흐름이 급격히 무너지는 현상이 아래와 같은 순서로 연속적으로 진행된다.

1) AIR ONION DOME(AOD)으로 급팽창,

2) AIR ONION DOME(AOD)이 급상승과 동시

3) 지표면상의 주변 공기(TDH-1, 상대적으로 무거운공기)가 AOD가 빠져나간 공간(APT)으로 급히 이동하여 맞바람으로 부딪쳐 소용돌이 바람(TRND)으로 변한후,

4) 급격히 상승된 기류(ADOF)로 상층부에 도달하여, 반경이 급격히 확장됨으로써 에너지가 희석되어 상층의 주변공기와 서서히 합류된다.

상기 4 단계의 진행발달과정을 보면, 마치 기계적인 연속 공급장치와 같은 팽창 현상이 저밀도, 저습도, 고온쪽으로, 양방향 이상의 여러방향으로부터 지표면에서 계속해서 공급되는 상대적으로 무거운공기(고밀도, 고습도, 저온도의 TDH-1)의 에너지로 연속적인 공기의 흐름이 일시적으로 발생할 때 토네이도는 점점 가속되어 큰 에너지원으로 변환 발생되는 것이라 할 수 있다.

토네이도의 발전을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 주변에 조성된 자연적인 여건으로, 어느 제한된 지표면(2)상의 지역의 공기가 계속하여 태양에너지로 인해 급팽창될 때 AOD(1)가 형성되고 충분히 급성장하여 큰 부력이 생성된다. 이러한 모습을 도 3에 모식적으로 나타내었다.

충분히 성장된 AOD(1)이 계속 팽창하려는 힘과 동시에 급부상 하려는 부력에 의해 상층부의 대기의 힘의 균형을 잃을 때, AOD(1)은 급격히 수직으로 상승하는 기류(5)가 됨과 동시에 그 자리에 진공에 가까운 공간(APT)(3)이 발달하여 지표저변의 양방향 또는 여러방향에서 맞바람(4a)이 불 때, 소용돌이가 발생한다. 이 과정을 도 4에 모식적으로 나타내었다. AOD(1)가 급상승기류(AODF)(5)과 동시에 진공으로 된 공간(3)에 보충되는 공기(TDH-1)(4a)를 볼 수 있다.

지표면 저변에 순간적으로 진공에 가까운 APT(3)이 형성되는 순간, 주변과 비교할 때 상대적으로 고밀도, 고습도, 저온의 무거운 공기(TDH-1)(4a)가 급작스럽게 양방향 또는 여러방향에서 순간적으로 APT(3)를 채우게 되면 맞바람이 되어 상호 충돌함과 동시에 소용돌이 바람(6)으로 변환되고, 가속되어 급상승기류(AODF)(5) 부상된다. 이 과정을 도 5에 모식적으로 나타내었다. 계속해서 지표저변에서 공급되는 공기의 흐름(4a)이 더욱 가속화되어 20000/RPM 이상의 회오리가 발생하게 되면 인간이 가청할 수 없는 상태의 높은 사이클로 엄청난 파괴력을 지닌 소용돌이 바람(6)으로 성장한다. 한편 도 6에는 발생된 토네이도가 주변 공기와 연속적으로 작용하는 모습을 보이고 있다. 상승 기류 및 하강 기류, 주변 공기의 흐름과의 관계를 나타내고 있는데, 상승 기류가 된 소용돌이는 상층부에서 주변 공기의 물리적 상태와 큰 차이가 없어져 그 힘이 약화되고 반경이 넓어지면서 주변으로의 공기 흐름(TDH-2)(4b)으로 변하게 된다.

토네이도는 태양에너지로 인하여 공기가 팽창되어 저밀도, 저습도, 고온도의 AOD로 발전하고, 주변 공기의 밀도 습도 온도 등과 상대적으로 큰 차이가 발생하여 양방향 이상에서 어느 한 곳으로 공기가 급작스럽게 이동하는 과정에서 맞바람이 부딪쳐 발생된 소용돌이 바람이 연속적으로 급격히 가속을 받아 큰 에너지로 변신 급상승하게 되면 지표 저변에서 비교적 고밀도 고습도 저온도의 상대적으로 무거운 공기(TDH-1)가 계속공급됨으로써 소용돌이로 계속하여 유지, 발전하다가 어느시점에 주변의 공기의 물리적 상태와 크게 차이점이 없는 균일화된 공기의 분포가 유지될 때 토네이도는 자연적으로 소멸하게 된다. 이는 주변의 공기가 밀도, 습도, 온도가 반경 수백 미터 또는 수십 키로미터 내에 공기의 상대적인 큰 차이점이 없는 상태에서는 공기의 갑작스런 대이동이 발생하지 않게 되므로 토네이도는 발생하지 않는다.

상기에 서술한 토네이도의 발생 원인이 주변의 자연환경(얕은 구릉, 들판 등)의 공기가 태양에너지로 인하여 밀도, 습도, 온도의 상대적인 차이가 발생되어 공기의 급격한 상승과 급작스런 AOD(1)의 빈공간 APT(3)로 충진하려는 흐름(TDH-1)(4a)으로 발생하는 것이므로, 항상 균등된 공기의 밀도, 습도, 온도로 유지할 수 있다면 토네이도가 발생하지 않게 하는 가장 중요한 방법이 될 것이 분명하다.

동시에 AOD(1)가 발생하여 계속적으로 보충되는 맞바람의 공급(TDH-1)(4a)에 저항을 가할 수 있다면, 이는 순간의 가속을 얻을 수 없어 토네이도는 계속 위력이 큰 돌풍으로 발전할 수 없고 토네이도의 근본 에너지인 초기의 AOD(1)는 힘이 약화되어 소멸할 것이다.

바로 이러한 중요한 역할을 할 수 있는 것이 자연에서 광합성에 의해 습도 온도 밀도를 조절할 수 있는 엽록수이다. 태양에너지로 인하여 AOD(1)로 발전한 후, 맞바람(TDH-1)(4a)의 충돌로 토네이도가 순간적으로 발생하여 상승기류(ADOF)(5)로 변할 때, AOD(1) 급격히 상승하여 그 빈공간(APT)에 보충하려는 맞바람(TDH-1)을 저지할 수 있는 힘은 지표면 상의 엽록수, 바람직하게는 활엽수(HARD WOOD)가 효율적으로 큰 저항 역할을 할 수 있으며, 동시에 토네이도 초기의 돌풍에 가속이 붙지 못 하도록 활엽수의 입들이 저항으로 작용하여 토네이도는 자연적으로 소멸하게 될 것이다.

수십 수백키로 평방미터에 달하는 넓은지역을 동시에 항상 균질된 공기의 밀도, 습도, 온도를 유지하게 해주는 자연적으로 가장 효과가 큰 항밀도, 항온도, 항습장치는 바로 엽록수로서, 이중에서도 침옆수(SOFT WOOD) 보다는 활엽수(HARD-WOOD)가 더욱 효과적이다. 엽록수는 넓은 지역에서 자동적으로 항온 항습도 항밀도를 조절 유지해주며, 특히 활엽수(HARD WOOD)는 동화작용시 습도 조절을 하고, 활엽수의 잎이 태양빛을 난반사시켜 제한된 지역의 온도가 급상승하는 것을 저지하며, 특히 나무의 고옆토를 지표면에 항상 도포하고 있기 때문에 습도조절은 물론, 나무의 그늘로 햇볕의 직사광으로 인한 제한된 지역의 공기의 급팽창으로 AOD(1)의 발생을 방지하는데 가장 크고 확실하며 효율적인 방법중에 하나라고 할 수 있다.

또한, 활엽수 및 모든 엽록수는 온도, 습도, 밀도 차이로 인해 주변공기가 이동하여 바람이 발생할 때, 공기(바람)의 양에 관계없이 급하게 이동하려는 바람이 통과는 하되, 적절하게 엽록수가 저항 역할을 하여 바람의 속도를 줄여줄 뿐만 아니라 주변공기와 거의 균등한 분포의 온도, 습도, 밀도로 유지시켜 줌으로써, 적당량의 바람은 불고 있으나, 회오리가 발생하기 어려운 상황으로 공기(바람)의 이동을 진행시킨다.

따라서, 앞서 말한 토네이도 발생을 저지하려면, 넓은 지역의 항온 항습 장치라 할 수 있는 엽록수를 많이 식재해야 한다는 결론이 된다.

토네이도 발생을 저지하기위한 엽록수의 식재 방법과 수종 및 식재량은 다음과 같다. 활엽수 수종에 따라 약간의 차이는 있지만, 45% 내지 60% 이상의 엽록수를 소요되는 전체 지표면적에 골고루 식재하되, 확실한 큰 효과를 얻기 위하여 식재방법에 따라 인위적으로 형성할 때 확실한 큰 효과를 얻을수 있다.

식재 방법으로는 지표면에 자연적인 녹음과 같이 각종 덤불이 섞여 식재되도록 하며, 하루에 최소 4 ~ 5시간 정도 지표면에 햇빛을 받도록 2미터 이상의 높이가 되는 엽록수를 분산하여 골고루 식재한다. 효율을 크게하기위하여, 기본틀은 바둑판 무늬로 일정한 간격을 두고 식재하며 지형 조건과 생활 공간 및 상황에 따라 적절한 형태로 식재할 수 있다. 도 7a 내지 도 7f는 다양한 형태의 식재 방법의 구체적인 예를 나타내고 있다. 또한 도 8은 일정 면적에 배치된 숲의 모습을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 8에 나타난 바와 같이 다양한 형태가 혼합된 연속무늬 배열방식이 적당하다.

엽록수를 식재하는 방법으로는 요구되는 전체 면적에 골고루 식재하는 것보다는 전체 면적에 대해 45% 내지 60% 이상으로 식재하되, 도 7a 또는 도 7d에 나타난 것과 같이 직경이 500미터부터 1000미터이내 정도로 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형 등의 모양이 되도록 하는 것이 바람직하다. 주변지역 생활환경에 적합한 서로 다른 모양으로 연결되는 연속무늬형식으로 식재하며, 숲의 폭이 서로 연결되는 것이 바람직하고, 끊기는 부분은 가능한 50미터 미만이 되도록 하면 큰 효과를 얻을 수 있다. 또한 식재되는 엽록수 숲의 폭은 대략 50 ~ 100 미터 범위가 적당하다(도 7c참조). 넓은 지역에 대해서는 한꺼번에 숲을 형성하기 곤란하므로 우선은 토네이도가 자주 발생했던 지역을 먼저 선정하고, 그 지역에서도 가장자리부터 식재를 하며 차차 중앙부로 그 면적을 넓혀가는 방법이 적당하다.

일실시예로서 도 9를 참조하면, 일정 면적의 거주지역(11) 주위로 엽록수숲(12)이 여러 층을 이루며 둘러싸고 있는 모습의 일부를 나타내고 있다. 도 9에서 볼 수 있듯이 제한된 지역, 예컨데 일정 면적의 도시나 소규모 마을 또는 공공시설단지 등을 토네이도의 피해로부터 효과적으로 예방하기 위해서는 일정 지역의 주변부, 대략 1000M 밖으로부터 여러 층이 밀집된 엽록수숲을 집중적으로 형성하는 것이 바람직하다. 특히 각 단위 숲의 면적을 폭 200M, 길이 500M 정도의 크기로 하고, 각각의 단위 숲은 서로 30 내지 50M 정도의 폭을 유지하여 각 단위 숲 간의 간격이 소방 도로로 이용될 수 있도록 한 상태에서 밀집 구조로 중심 지역을 둘러 싸도록 하는 것이 효과적이다.

한편 해당 지역에 큰 도로나 고속도로가 통과하는 경우에는 도로변에 가능한 가로수를 식재한다. 이때 가로수에 소요되는 면적은 상기 최저 식재 퍼센트에 포함하지 않는 것으로 계산한다.

엽록수 중 가장 좋은 효과를 얻을수 있는 수종으로는 활엽수로서 가능한한 속성 수종을 선택하되 나무 높이가 2미터 이상 성장되는 것이 적당하다(도 10 참조). 또한 숲에 자연적으로 형성되는 덤불과 같이 숲을 이루게 하면 더욱 효과적이다.

도 11에는 강풍(15)이 활엽수숲을 통과하면서 저항력에 의해 약화되는 모습을 모식적으로 나타내었다. 강풍(15)이 활엽수숲을 통과하게 되면 숲의 저항력에 의해 바람이 통과는 하지만 그 힘이 약화되고, 특히 넓은 활엽수숲을 통과하여 이러한 과정이 반복되면 숲의 습도 및 상대적으로 낮은 온도, 고밀도 상태의 공기에 주변공기가 합류하여 희석되면서 평준화된 항온, 항습, 항밀도를 유지하게 되므로 자연적으로 강풍(15)이 미풍(16)으로 변하게 된다.

앞서 기술한 바와 같이 AOD(Air Onion Dome)의 형성으로 인해 토네이도가 발생한다는 것을 감안하면, AOD의 형성이 전혀 없는 추운 지역에서는 나무가 거의 없는 광활한 평원이라도 토네이도의 발생을 발견하기 어렵다. 그 이유는 공기의 밀도, 습도, 온도의 차이점이 없는 균일한 상태(항온, 항습, 항밀도)가 유지되기 때문이다.

한편, 바다를 제외한 육지에서 발생된 토네이도는 현재 전세계에서 발생된 주변 환경을 볼 때 나무가 거의 없는 평지에 가까운 넓은 평원에서만 자주 발생했다는 사실을 보아도 초목이 우거진 나무숲이 토네이도 억제에 매우 중요한 역할을 할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 엽록수, 특히 활엽수 숲이 동화작용을 하고, 숲의 그늘로 인해 지표에 수분 보존 효과와 숲의 나뭇잎이 햇볕을 난반사시켜 주변 공기의 평균된 밀도, 습도, 온도를 유지해줌으로써 토네이도의 발생 원인을 효과적으로 제거할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면 예측불허의 토네이도 발생을 원천적으로 방지할 수 있는 자연적인 해결 방법을 제공할 수 있다. 특히 본 발명은 인간의 거주 환경에 적합하도록 다양한 형태의 숲을 형성함으로써 환경친화적인 방법으로 토네이도 발생을 억제하고, 지형이나 지역의 문화적 특성이 각각 다른 곳에서도 용이하게 적용될 수 있다. 따라서 본 발명의 토네이도 억제 방법은 자연과 조화를 추구하면서 자연 재해에 의한 막대한 피해를 사전에 막을 수 있는 가장 효과적인 토네이도 발생의 방지 방법이라고 할 수 있을 것이다.