토네이도는 어떤 힘으로 수백 미터 이상의 물기둥을 만들까?

과학자들의 말에 의하면 토네이도는 따뜻한 공기가 상승하면서 생긴다고 한다. 그런데 왜 활동 중인 화산이나 대형 산불의 상공에서 토네이도가 발생하지 않을까? 그리고 토네이도의 중심부는 준 진공상태이다. 토네이도의 외부와 내부의 기압 차이를 극복하려면 두꺼운 강철판 정도의 구조체가 필요한데 단순히 공기가 회전하는 원심력으로 어떻게 기압 차이를 극복할까? 그리고 바다에서 발생하는 토네이도에서 거대한 물기둥이 수백 미터이상 높게 형성된다. 진공으로 끌어 올릴 수 있는 물의 높이는 경우 10미터에 불과한데 왜 토네이도에서는 거대한 물기둥이 가능할까?

현상으로 말하면 토네이도는 중력가속도의 역류현상이고, 특징으로 말하면 토네이도는 비를 동반하지 않는 기류현상이다.

우리는 평상시에 중력가속도는 지표를 향해야 한다는 고정관념을 가지고 있다. 그런데 토네이도의 물기둥 현상은 이 원칙을 거스르고 하늘 높이 물기둥을 뻗친다. 그래서 자연법칙을 어긴 납득하기 어려운 현상으로 보는 것이다. 하지만 상대성이론의 동등원리로 보면 중력의 작용은 위로 올라가거나 밑으로 떨어지거나 동일하다. 이를테면 무중력상태의 공간에 질량이 다른 두 물체가 있다고 해보자. 이 무중력 공간에 온도가 가해지면 질량이 적은 물체가 질량이 큰 물체 쪽으로 끌려가게 될 것이다. 이때 위아래와 상하좌우는 전혀 문제가 되지 않는다. 어떤 물체가 밀도가 높은가에 따라 속도와 방향이 결정될 것이다. 정리하면 중력가속도는 벡터이므로 방향성을 가지지만, 중력은 정지 질량이므로 방향성이 없다.

대기압이 모든 것을 누르고 있는 상태에서 갑자기 물기둥이 공중으로 수백 미터 이상 솟구치려면 다음 두 가지 요건이 성립돼야 한다.

1. 갑자기 물기둥 부분만 대기압이 사라진다.

2. 물기둥이라는 통로를 통해 어떤 힘이 물을 빨아올린다.

일반적으로 우리가 알고 있는 과학지식으로는 지표면에 가까울수록 중력이 강한데 이와는 반대로 지표면보다 위쪽의 중력이 강하다면 중력가속도의 역류현상이 발생할 수 있다. 다만 문제는 지표면보다 위쪽이 중력이 더 강할 수 있느냐이다.

그런데 토네이도나 물기둥 현상이 생기는 조건을 보면 지표면보다 위쪽의 중력이 더 강할 수 있느냐의 답이 나온다. 보통 토네이도는 넓은 평원이나 바다에서 기온이 아주 고온일 때 발생한다. 그리고 대부분 먹구름을 동반한다. 이 조건을 중력밀도와 연관 지어 판단해보면 지상의 뜨거운 공기가 중력밀도를 낮추었고, 반대로 공중에는 차가운 먹구름이 형성되면서 중력밀도가 일시적으로 지표면보다 높아진 상황이다. 이는 달리 말하면 중력가속도가 작용하는 방향이 반대가 되어 버린 것이다. 즉 F=mg가 순간적으로 F=(-)mg가 되어 버린 것이다. 그래서 지표 방향으로 향하는 중력가속도의 법칙을 어기고 역방향으로 수백 미터의 물기둥 현상이 생기는 것이다.