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Korea Institute of Ocean Science & Technology

딱총새우는 어떻게 강력한 소리를 낼까

  • 조회 : 9084
  • 등록일 : 2010-04-22

동해특성연구부 책임연구원 김봉채 

해수중에는 대기중에서와 마찬가지로 여러 가지의 소리가 항상 존재한다. 불특정한 다수 음원에 의해 발생되어 해수중을 전파하여 해수중의 특정한 위치에 형성된 이러한 소리를 통틀어 해양잡음(ocean noise)이라 한다. 해양잡음을 발생원인에 따라 분류하면, 자연적으로 발생된 잡음과 인공적으로 발생된 잡음으로 나눌 수 있다. 주요한 자연잡음(natural noise)에는 해표면 위에서 부는 바람에 의해 발생되는 풍랑잡음(wind noise)이 있고, 어류와 갑각류 및 해산 포유류 등 해양동물에 의해 발생되는 생물잡음(biological noise)이 있으며, 이밖에도 해저지진에 의해 발생되는 지진잡음(seismic noise)도 있다. 그리고 주요한 인공잡음(anthropogenic noise)에는 항해하는 선박에 의해 발생되는 항행선박 잡음(shipping noise)이 있고, 준설과 매립 및 수중구조물 설치 등 해양 토목공사에 의해 발생되는 산업활동 잡음(industrial activity noise)이 있으며, 이밖에도 해저유전 탐사와 수중물체 탐지 등에 사용되는 각종 능동소나(active sonar)에 의해 발생된 소나 핑 잡음(sonar ping noise)도 있다.

대양의 경우 대부분의 해양잡음은 원거리 항행선박과 해표면상의 바람 등에 의해 발생된다. 특히 원거리 항행선박은 저주파 대역의 주요 잡음원(noise source)이고, 해표면 위에서 부는 바람은 고주파 대역의 주요 잡음원으로 알려져 있다 1) . 그리고 최근에는 빈번한 해저유전 탐사활동과 해군 군사훈련에 사용되는 각종 능동소나 핑도 주요한 잡음원이 되고 있다. 대양의 경우 해양잡음은 선박통행량, 해저유전 활동 및 해군 군사훈련 등의 증가에 의해 점차 증가하는 것으로 보고되고 있다 2) . 연안천해의 경우 해양잡음은 주로 해표면상의 바람, 근거리 항행선박, 연안역 산업활동, 해양동물 및 해변의 쇄파 등에 의해 발생된다 1) . 최근에는 소형 고속선 통행량, 고래류 자원량 및 연안역 산업활동이 점점 증가함에 따라 연안천해의 해양잡음도 점점 증가하고 있는 경향을 보이고 있다 2) .

해양잡음은 해수중에서 소나(sonar)와 같은 수중음향 장비를 사용할 때 소나신호의 반향음(echo)이나 표적신호(target signal)를 간섭하여 표적 탐지성능에 영향을 미친다. 해양잡음이 작은 조용한 해수중에서 소나는 먼 곳에 있는 수중표적도 탐지할 수 있는 반면, 해양잡음이 큰 시끄러운 해수중에서 소나는 가까운 곳에 있는 수중표적도 탐지하기 어렵다. 또한 해양잡음은 어류와 갑각류 및 고래류 등의 해양동물 서식환경에 영향을 미치고 있다. 특히 수중음파를 발생하고 반향음을 수신함으로써 섭이행동(feeding behaviour) , 성군행동(schooling behaviour) , 장해물 식별 및 산란행동 등에 수중음파를 적극적으로 활용하는 고래류, 돌고래류 및 어류 등의 해양동물은 주변의 해양잡음에 민감한 반응을 보이고 있다. 최근 생태학자들과 자연보호 운동가들은 멸종위기에 처한 고래류를 보호할 목적으로 가능한 한 해양잡음이 작은 조용한 해양으로 보존하기 위한 운동을 활발히 전개하고 있다 2) .

딱총새우(snapping shrimp 또는 pistol shrimp)는 갑각강(Crustacea Class), 십각목(Decapoda Order), 딱총새우과(Alpheidae Family)로 분류된다. 딱총새우는 전세계적으로 약 620종 이상이 분류되어 있고, 일본의 경우에도 70종 이상이 분류되어 있지만, 국내의 경우에는 15여종 정도만이 분류되어 있다. 딱총새우는 수심이 약 60m 이내이고, 수온이 연중 약 11℃ 이상인 열대 또는 온대의 천해에 서식한다. 딱총새우는 전장이 약 20~70mm인 소형 갑각류로서 10개의 발을 갖고 있으며, 특히 집게발이 발달되어 있으나 좌우 비대칭으로 한쪽의 집게발이 다른 쪽보다 더 크게 성장되어 있다. 딱총새우는 주로 모래진흙의 바닥, 잘피밭의 바닥, 산호의 틈 및 갯벌 조간대의 자갈밑 등에서 서식하고 있다.

천해에서 딱총새우가 강력한 소리를 발생한다는 사실은 이미 1940년대부터 보고되었다 3) . 그 이후에도 딱총새우는 넓은 주파수 대역의 수중음(underwater sound)을 발생하는 것으로 발표되었다 4) . 열대지방으로부터 온대지방의 연안천해에서 항만감시용 등의 소나를 사용하는 경우 딱총새우 발생음은 소나의 탐지성능을 심각하게 방해하는 것으로 보고되고 있다. 조그만 딱총새우가 어떻게 이처럼 강력한 수중음을 발생하는지에 관해서는 오랜 기간 동안 수수께끼로 남아 있었다. 딱총새우는 아마 집게발을 서로 문지르거나 또는 집게발을 갑자기 닫아 수중음을 발생하는 것으로 추정될 뿐이었다. 그러나 이러한 수수께끼는 2000년대에 들어와 네덜란드 물리학자들과 독일 동물학자의 공동연구에 의해 비로소 풀리게 되었다 5) . 그들은 딱총새우의 수중음 발생원인을 찾기 위한 연구를 수행하였다. 수조 안에 살아있는 딱총새우를 고정시키고 소리를 발생하도록 유도하여 이때 수중청음기로 딱총새우 발생음을 측정함과 동시에 고속 카메라로 딱총새우 집게발 부근을 연속으로 촬영하여 측정된 수중음의 파형과 집게발 주위의 사진을 면밀히 비교하여 실마리를 찾을 수 있었다. 딱총새우가 큰 집게발을 빠르게 닫을 때 집게발로부터 고속으로 분사된 물(water jet)에 의해 순간적으로 캐비테이션 기포(cavitation bubble)가 발생하였고, 이 기포가 팽창(expansion)하여 갑자기 붕괴(collapse)될 때 매우 강력한 충격파(impulse wave)가 발생하는 것을 그들은 처음으로 밝혔다. 현재까지 측정된 딱총새우 발생음의 크기는 집게발로부터 가까운 곳에서는  Pa을 기준으로 200dB 이상이 관측되었고, 집게발로부터 거리 1m 만큼 떨어진 곳으로 환산한 음원 레벨(source level)은 약 190dB 만큼 강력하였다6) .

딱총새우는 이렇게 강력한 소리를 어디에 이용할까? 현재까지 관찰된 결과에 의하면, 딱총새우는 자신의 영역을 보호하기 위해 천적이나 같은 종의 경쟁자가 접근할 때 수중음을 발생하여 위협에 사용하는 것 같다. 그리고 딱총새우는 수중음을 발사하여 먹이가 되는 소형동물을 죽이거나 기절시켜 사냥하였다. 아마 딱총새우는 음파를 사용하여 먹이를 사냥하는 유일무이한 동물로 생각된다. 딱총새우의 영어 생물명인 “pistol shrimp”라든지 일본어 생물명인 “teppou ebi(テッポウ エビ, 鐵砲蝦)” 등은 이런 연유로 붙여진 것 같다. 이밖에도 딱총새우는 강력한 수중음을 발생하여 동종간의 커뮤니케이션에 이용하고 있는 것으로 추측된다.

그림 1. 한국 연안에서 채집된 딱총새우: (a) 미 분류종, (b) 큰손딱총새우( Alpheus digitalis ), (c) 갯가딱총새우( Alpheus lobidens ).

딱총새우 발생음의 음향학적인 특성을 연구하기 위해 한국 연안에서 직접 채집한 딱총새우의 사진을 그림 1에 나타낸다 7). 살아있는 상태의 딱총새우 채집에는 간조 때 해수가 빠지는 갯벌에서 자갈을 뒤집어 손으로 직접 포획하거나 항구 안에서 조개 채집용 형망을 끌어 포획하였다. 그림 1(a)에 보이는 딱총새우는 기존의 문헌을 통해서 확인이 불가능한 종이었으며, 그림 1(b)는 큰손딱총새우( Alpheus digitalis )로 확인되었고, 그림 1(c)는 갯가딱총새우( Alpheus lobidens )로 확인되었다.

딱총새우의 종에 따라 발생된 수중음의 특성을 조사하였다. 딱총새우의 종별로 발생된 수중음의 전형적인 순간파형을 그림 2에 나타낸다. 이것은 딱총새우 집게발의 크기가 약 15mm로 서로 동일한 경우로서 집게발 끝으로부터 약 10mm 떨어진 곳에 수중청음기를 위치시켜 측정한 결과이다. 이 그림에서 원 내부에 있는 작은 크기의 펄스(pulse)들은 딱총새우의 큰 집게발이 닫힐 때 발생된 음파의 파형(waveform)이며, 점선은 이 파형이 시작되는 시점의 위치를 나타낸다. 그리고 시간 약 614μs 근처의 진폭(amplitude)이 날카로운 피크 펄스(peak pulse)는 캐비테이션 기포의 붕괴에 의해 발생된 파형이다. 그림에서 나타낸 바와 같이 딱총새우 3종에 의한 수중발생음의 파형은 서로 유사한 형태를 나타내었지만, 딱총새우의 집게발이 닫히고부터 캐비테이션 기포가 붕괴될 때까지 걸린 시간(Δ T )은 서로 달랐다. 이름이 알려지지 않은 딱총새우의 경우 Δ T 는 약 330μs였고, 음압 레벨(sound pressure level)은 약 217dB이었다. 그리고 큰손딱총새우( Alpheus digitalis )의 경우 Δ T는 약 225μs였고, 음압 레벨은 209dB이었으며, 갯가딱총새우( Alpheus lobidens )의 경우 Δ T 는 약 405μs였고, 음압 레벨은 약 217dB이었다. 캐비테이션 기포의 붕괴는 기포가 최대로 압축되는 순간을 나타내므로 Δ T 의 증가는 캐비테이션 기포의 크기가 더욱 커졌음을 나타낸다. 따라서 어떤 딱총새우 종의 경우 집게발에 의해 발생된 캐비테이션 기포의 크기 변화, 즉 Δ T 의 변화는 딱총새우 집게발이 방출하는 고속분사 물(water jet)의 체적 변화에 의한 것으로 생각할 수 있다. 그러나 딱총새우 종에 의한 Δ T 의 차이는 큰 집게발의 형태상 차이에 의해 생길 수도 있다. 그림 3은 그림 2에 나타 낸 딱총새우 종별 수중발생음의 파형에 대한 규격화된 주파수 스펙트럼(normalized frequency spectrum)을 나타낸다. 그림에서 나타낸 바와 같이 딱총새우 발생음의 주파수 스펙트럼은 다양한 피크 주파수(peak frequency) 성분들로 구성되어 있다. 알려지지 않은 딱총새우의 경우 첫째 피크 주파수는 3.5kHz이었으며, 큰손딱총새우( Alpheus digitalis ) 및 갯가딱총새우( Alpheus lobidens )의 경우 첫째 피크 주파수는 각각 5kHz 및 3kHz이었다.


그림 2. 딱총새우 종별 수중발생음의 규격화한 파형. 

 



그림 3. 딱총새우 종별 수중발생음의 규격화한 주파수 스펙트럼.


그림 4. 갯가딱총새우( Alpheus lobidens )의 집게발 크기별 수중발생음의 규격화한 주파수 스펙트럼.

동일한 딱총새우 종의 경우 큰 집게발의 길이(6.0~15.0mm)에 따라 발생된 수중음의 특성을 조사하였다. 그림 4는 갯가딱총새우( Alpheus lobidens )에 대해 큰 집게발의 길이에 따라 발생된 수중음의 규격화된 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 딱총새우의 큰 집게발로부터 고속으로 분사된 물(water jet)의 체적은 큰 집게발 길이의 증가에 따라 증가할 수 있으므로 고속분사 물에 의해 발생된 캐비테이션 기포의 반경도 증가할 수 있다. 따라서 딱총새우 발생음의 주파수 스펙트럼에서 캐비테이션 기포의 공진 주파수에 해당하는 첫째 피크 주파수는 큰 집게발 길이의 증가에 따라 감소할 수 있다. 대체적으로 큰 집게발의 길이가 작을수록 첫째 피크 주파수는 증가하는 경향을 보였으나, 큰 집게발 길이의 증가에 따라 첫째 피크 주파수는 규칙적으로 감소하지는 않았다. 이것은 딱총새우의 큰 집게발 내부에 해수가 충분히 채워지지 않은 경우에 발생할 수 있을 것으로 생각된다.

수심이 얕은 천해에 서식하는 다양한 크기의 딱총새우들은 반경이 다른 다양한 크기의 캐비테이션 기포들을 생성할 수 있으므로 그림 4에 나타낸 바와 같이 다양한 피크 주파수 성분들이 딱총새우 발생음으로부터 생성된다. 따라서 딱총새우 발생음의 평균 주파수 스펙트럼은 피크 주파수 성분들간의 중첩(superposition)에 의해 폭넓게 나타날 수 있다. 그리고 이러한 주파수 성분들간의 중첩은 실제로 천해에서 관측된 딱총새우 발생음의 주파수 스펙트럼이 매우 넓게 나타나는 이유로 생각된다.

손가락 정도의 크기인 딱총새우가 교묘한 방법으로 강력한 수중음을 발생하고 또 이것을 자신의 생존에 활용하는 것에 접하면 실로 경이로울 따름이다. 아마도 딱총새우는 가장 작지만 정교한 소나를 적극적으로 활용하는 동물임에 틀림없다. 이것 때문에 자연과학자는 더욱 자연을 연구하면서 배워야 하는지도 모른다.

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참고문헌

 

1) R. J. Urick. 1984. Ambient Noise in the Sea. Peninsula Publishing, Los Altos.

2) National Research Council. 2003. Ocean Noise and Marine Mammals. National Academy Press, Washington, DC.

3) F. A. Everest et al . 1948. Acoustical characteristics of noise produced by snapping shrimp. J. Acoust. Soc. Am. , 20, 137-142.

4) B.-C. Kim et al . 2007. Characteristics of snapping shrimp sound observed in the Korean Coast of the Yellow Sea 「The Sea」Journal of the Korean Society of Oceanography 12. 142-146 . (in Korean)

5) M. Versluis et al . 2000. How snapping shrimp snap: Through cavitating bubbles. Science , 289, 2114-2020.

6) W. W. Au and K. Banks. 1998. The acoustics of the snapping shrimp Synalpheus parneomeris in Kaneohe Bay. J. Acoust. Soc. Am. , 103. 41-47.

7) B.-N. Kim et al . 2010. Snapping shrimp noise measured under laboratory conditions. Jpn. J. Appl. Phys. (accepted)

 

2010-04-22

 

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2018-11-05