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- 우주에서의 도플러 효과:공통 질량중심으로 공전하는 쌍성계의 색 변화조사.
- 기상 레이더는 빗방울이나 눈 결정에 반사된 마이크로파의 주파수 변화를 측정
- 도로 교통 속도 측정할 때 레이더 장치는 움직이는 차량에 반사된 전자기파를 방출한다.
- 그 결과 발생하는 주파수 변화를 이용해 속도를 빠르고 정확하게 계산

도플러 효과 ; 음원이 움직일 때 발생하는 현상

우리 모두 잘 알고 있듯이, 사이렌을 울리며 지나가는 구급차 소리의 높낮이가 변하는 것을 경험해 본 적이 있을 것이다. 구급차가 가까워질수록 소리가 높게 들리고, 지나간 후에는 갑자기 낮아진다. 이러한 잘 알려진 물리적 현상을 도플러 효과라고 한다. 

▲ 도플러 효과는 주파수의 왜곡 또는 연장으로 인해 발생한다. © Wikimedia Commons

도플러 효과는 음원이 청취자에 대해 상대적으로 움직일 때 발생한다. 구급차가 다가오면 차량 앞을 지나가는 차량의 움직임에 의해 음파가 압축된다. 음파는 더 짧은 간격으로 우리 귀에 도달하고, 우리는 이를 더 높은 음높이로 인식한다. 차량이 다시 멀어지면 음파는 늘어나고, 음높이는 더 낮아진다. 음원이 우리를 지나치는 아주 짧은 순간에만 우리는 원래 음높이의 소리를 듣게 된다.

▲ 사이렌 소리가 지나갈 때 도플러 효과를 경험할 수 있다. © Franz P. Sauerteig, Pixabay

우주에서의 도플러 효과

도플러 효과는 1842년 오스트리아의 물리학자이자 수학자인 크리스티안 도플러(Christian Doppler)가 처음으로 설명했으며, 처음에는 빛의 파동을 이용했다. 도플러는 자신의 연구에서 쌍성계, 즉 공통 질량 중심을 중심으로 공전하는 두 별로 이루어진 항성계의 색 변화를 조사했다. 이러한 항성계에서는 한 별이 특정 시간에 지구를 향해 움직이고, 다른 별은 지구에서 멀어진다.

도플러는 이러한 별의 움직임으로 인해 별빛이 번갈아 압축되거나 늘어난다는 사실을 알아냈다. 별이 관측자를 향해 움직일 때는 빛이 짧은 파장인 푸른색 쪽으로 약간 치우치고, 멀어질 때는 긴 파장인 붉은색 쪽으로 치우친다는 것이다. 도플러는 이러한 색 변화의 크기를 통해 별의 속도를 직접적으로 알 수 있다고 결론지었다. 그러나 당시 망원경의 한계로 인해 그는 처음에는 자신의 가설을 확인할 수 없었다.

몇 년 후, 도플러 효과는 빛이 아닌 소리를 이용한 실험을 통해 확인되었다. 1845년, 네덜란드의 과학자 C. H. D. 부이스 발로트(Buys Ballot)는 움직이는 기차 안에서 음악가들이 일정한 음을 연주하는 동안, 기차가 지나가는 소리를 듣는 관찰자가 그 소리를 듣는 실험을 진행했다. 이는 오늘날 구급차에서 볼 수 있는 바로 그 효과를 밝혀냈다.

우주 측정 도구, 일기 예보, 그리고 레이더 함정

오늘날 우리는 과학, 기술, 의학의 여러 분야에서 도플러 효과를 접하게 된다. 천문학에서는 지구에 대한 상대적인 움직임으로 인해 빛이 스펙트럼의 청색 또는 적색 쪽으로 치우치는 현상을 연구하는 데 도움을 준다. 이러한 관측은 우주의 팽창을 증명하는 데에도 사용되었다.

도플러 효과는 일상생활에서도 중요한 역할을 한다. 기상 레이더는 빗방울이나 눈 결정에 반사된 마이크로파의 주파수 변화를 측정한다. 이를 통해 풍속과 풍향을 파악할 수 있어 더욱 정확한 일기 예보와 조기 폭풍 경보가 가능해진다.

또 다른 잘 알려진 응용 분야는 교통 공학이다. 도로 교통 속도를 측정할 때 레이더 장치는 움직이는 차량에 반사된 전자기파를 방출한다. 그 결과 발생하는 주파수 변화를 이용하여 장치는 속도를 빠르고 정확하게 계산한다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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