기류

기류(氣流, air current)는 온도나 지형의 차이로 말미암아 일어나는 공기의 흐름을 말한다.

개요

기류는 온도나 기압 차이로 발생하는 공기의 흐름을 말한다. 태양 복사에너지로 인해 위도에 따라 다른 온도로 가열되고 이때의 온도 차이로 인해 밀도가 큰 찬 공기와 밀도가 작은 더운 공기가 생겨난다. 이러한 공기가 대류로 이동하면서 공기의 흐름이 발생하게 된다. 수평 방향의 공기의 흐름을 의미하는 바람과는 달리, 기류는 수직, 수평 방향의 흐름 모두를 의미하지만, 기상학에서는 주로 수직(연직)방향의 공기 흐름을 중심으로 다룬다. 공기가 위로 올라가는 것은 상승기류, 아래로 내려가는 것은 하강기류이다. 상승기류로 바람이 한 곳에 집중(수렴기류) 되면 베르누이의 정리(Bernoulli's theorem)에 의해 풍속이 증가한다.

특징

기류란 공기의 흐름이다. 찬공기는 밀도가 크고 더운 공기는 밀도가 작다. 태양 복사에너지에 의한 공기의 가열은 결국 위도에 따른 온도차를 나타내게 된다. 이런 이유로 대류현상이 일어나게 되고 공기의 흐름이 발생되게 된다.

바람은 수평방향의 공기의 흐름만을 의미하지만 기류는 수평방향, 수직방향의 공기의 흐름을 모두 의미한다.

상승기류와 하강기류

상승기류는 공기가 위로 올라가는 것이고, 하강기류는 공기가 아래로 내려가는 것을 말한다. 추운 겨울날 자동차에서 히터를 켜놓아도 히터에 발을 직접 쬐지 않으면 발은 시렵다. 그것은 따뜻한 공기(고온)는 위로 올라가는 현상(상승기류)이 있기 때문이다. 옛부터 우리 조상들은 온돌을 사용했다. 온돌을 사용하면 제일 먼저 바닥이 따뜻해지고 뜨거운 기운이 위로 올라가므로 방 전체가 따뜻해진다. 이것은 따뜻한 공기의 상승기류 때문에 나타나는 현상이다.

고기압과 저기압의 기류

고기압은 주위의 대기보다 기압이 높은 지역으로 고기압의 크기는 등압선의 분포로부터 알 수 있다. 북반구에서는 고기압 중심으로부터 바람이 시계 방향으로 불고, 남반구에서는 반대로 분다. 일반적으로 고기압은 규모가 대단히 커서 직경이 1,000∼4,000km에 이르며, 이 기압권 내에서는 대단히 약하기는 하나 하강기류가 있기 때문에 일기가 양호하고 바람이 약하다. 고기압이 발생하려면 중위도 고압대와 같이 상공으로부터 대기의 퇴적, 즉 하강기류가 있어야 하고, 균일하고 광범한 지역에 걸쳐 대기가 장시간 그 장소에 머물러 있어야 한다. 즉 공기가 아래로 흐르기 때문에 하강기류가 발생하는 것이다.

저기압은 상승기류가 만들어지는데, 열대 바다는 하루종일 뜨거운 햇빛이 쨍쨍 내리쬐기 때문에 뜨거워진 공기가 위로 올라간다. 그리하여 엄청난 상승기류가 생기고, 열대성저기압이 만들어진다. 이렇게 상승하면 구름이 만들어지고 비가 내릴 수 있다.

태풍의 눈에서 하강기류가 생기는 이유

태풍은 공기의 거대한 소용돌이로, 공기는 기압이 낮은 중심부를 향해 반시계 방향으로 회전하면서 모여든다. 공기덩어리의 중심으로 접근할수록 바람이 강해지고, 그 결과 강한 원심력을 받게 된다. 원심력이 엄청나게 강해지게 되면, 공기는 중심으로 들어가지 못하게 되고, 중심 둘레를 빙빙 돌면서 상승하게 된다. 이 때문에 비어 있는 중심부에 공기를 보충하려는 하강기류가 생기게 되며, 구름도 드물고 바람이나 비도 약한 날씨가 된다. 이 부분을 태풍의 눈이라고 부른다.

관련 용어

제트기류

제트기류(Jet stream)성층권에 위치한 강력한 바람을 말한다. 편서풍대에서는 풍속이 30m/s 이상으로 나타난다. 대류권에 미치는 영향력이 크다. 제트기류는 지구를 포함한 몇몇 행성의 대류권이나 대기권의 윗쪽 부분에서 나타나는 빠르고 좁은 공기의 흐름이다. 주요한 제트기류는 대류권 계면 주위의 고도에 위치해 있다. 대체로 지구상에 존재하는 제트기류는 서쪽에서 동쪽으로 불어가며, 경로는 대체로 구불구불하다. 제트기류는 두개 이상의 부분으로 시작되거나, 멈추거나, 나뉠 수 있으며, 하나로 합쳐질 수도 있고, 대부분의 제트기류와는 반대로 흐를 수도 있다.

생성 원인

제트기류는 지구의 자전과 대기의 위도별 불균등 가열로 인해 생긴다. 제트기류는 온도풍 관계에 의해 형성되는데, 온도경도가 존재하는 한 고도가 상승할수록 서풍이 강해진다. 상층으로 갈수록 온도경도가 약해지다가 온도경도가 존재하지 않는 고도에 다다르면 가장 서풍이 강력하게 되고, 이 고도에서 부는 바람을 제트기류라 부른다. 온도경도에 의해 발생하기 때문에 제트기류는 온도경도가 더 강한(즉, 온도의 경압성이 뚜렷한) 겨울철에 더 강하게 나타난다. 따라서 겨울철에는 적도 쪽으로, 여름철에는 극 쪽으로 이동하는 경향을 보인다. 제트기류는 교란에 의해 그 굽은 정도가 심해질 수 있는데, 이 때 고위도와 저위도의 열교환이 이루어지며, 그 지역에서는 한파 등 날씨의 변화가 생긴다.

중위도에서는 편서풍, 저위도에서는 편동풍이 분다는 통념과는 달리 제트기류는 ITCZ(적도)를 제외하면 지구 어디에서나 서에서 동으로 분다. 그 이유는 지상에서 기류 수렴 등 여러 이유로 편동풍이 불더라도 상층은 항상 고위도가 기압이 낮고 저위도가 높기 때문에 서풍이 부는 것이다. 대기대순환이 어느정도 영향은 미치겠지만 그것이 상층의 바람 방향을 바꿀 정도는 되지 않는다. 다만 그러한 이유로 제트가 형성되는 위도는 온도(층후)차이가 극심한 위도가 되므로 계절에 따라, 지상 기압(기온)변화에 따라 달라질 수 있다.

특징

생성 원인에서 알 수 있듯, 편서풍 파동과 비슷하게 작용하여 남북간의 열과 수증기의 교환에 큰 기여를 한다. 또한 지상의 저기압, 고기압의 발달에도 영향을 미친다. 가장 강한 제트기류는 극지방에서 부는 극지기류이며, 해면으로부터 9~12 km 상공, 약 30,000~40,000 ft 상공 또는 그 위에서 나타나고, 그보다 약한 아열대의 제트기류는 해면으로부터 10~16 km, 약 33,000~52,000 ft 상공에 위치한다. 길이는 수천km, 폭은 수백km, 두께는 수km이고 연직 바람 시어가 강하게 나타난다.

일반적으로 제트류가 잘 나타나는 지역은 극동 지방, 북미대륙 등이다. 중간 권에서의 겨울철 극야제트(polar night jet), 국지적인 전선에 관계된 하층제트(low level jet) 등도 있다. 제트기류의 바람이 가장 강한 곳을 제트 코어(jet core)라고 하는데, 대류권 제트의 경우 겨울철에는 북위 30도 정도에 위치하나, 경도에 따라서 위도가 달라진다. 또한, 여름철에는 제트기류가 약화되며 제트코어는 보다 북쪽으로 치우치며 편서풍 파동에 의해 적도에 가까운 쪽에서 발달하는 제트는 아열대제트(subtropical jet)라고 불린다. 중위도 대류권 제트기류는 제2차 세계대전 당시 군사비행을 통하여 발견되었다.

북반구와 남반구는 각각의 극 제트기류와 아열대 제트기류를 가지고 있다. 북반구의 극지기류는 북아메리카, 유럽 아시아, 그들이 들러싼 대양들의 중간 부분 또는 북쪽으로 지나는 반면, 남반구의 극지기류는 1년 내내 남극 주위를 돈다. 남극의 해류도 비슷하게 돌기 때문에 최근 지구온난화로 제트기류가 약해지기 전까지 남극은 다른 지역의 기후에 상대적으로 둔감했다.

기상학자들은 대기분석의 방법으로 제트기류의 위치를 이용한다.

제트기류와 항공기

제트기류의 주요한 상업적 관련성은 비행기를 통한 여행에 있는데, 제트기류를 따라 비행하느냐, 반대로 비행하느냐에 따라 비행 시간이 큰 영향을 받을 수 있기 때문이다. CAT 또는 비행기 승객의 안전에 대한 잠재적인 위험들이 제트기류 부근에서 발견되지만, 이들은 상당한 비행 시간의 변화를 초래하지는 않는다.

서쪽으로 운항할 때의 비행시간보다 동쪽으로 운항할 때의 비행시간이 짧은 이유도 제트기류 때문이다. 예를 들어 한국에서 유럽으로 갈 때는 11-12시간이 걸리지만 귀국할 때는 10시간 전후로 비행시간이 줄어든다. 반대로 한국에서 미국 LA로 갈 때는 11시간 전후지만 돌아올 때는 13시간 가까이 걸린다. 한국을 기준으로 할 때 제트기류의 효과가 극대화되는 노선은 인천(인천국제공항)-호놀룰루(다니엘 K. 이노우에 국제공항)가 있다. 제트기류가 강한 겨울철에 이 노선을 이용할 경우 제트기류의 속도가 300km/h 이상인 지대를 지나가기 때문에 VOD의 속도 표시를 잘 살펴보면 초음속으로 비행하는 경우가 심심찮게 보인다. 물론 이는 당연하게도 GPS 기반의 Ground speed로, 초음속비행중이 아니다. 일반적인 민항기의 순항고도에서의 순항속도는 900km/h 언저리로 나타나고 순풍을 300km/h로 받으니 지상속도가 1200km/h를 넘게되어[5] 이 때문에 음속을 넘는 것 처럼 보이는 것이다. 그리고 음속은 고정값이 아니라 대기온도와 밀도라는 변수를 갖고있으므로 해수면대기 음속과 순항고도 음속은 차이가 크다.

다만 목적지의 위도가 높거나 이동 거리가 길 경우 최단 경로가 주로 북극 근처를 지나가기 때문에 제트기류의 영향이 적어 갈 때와 올 때의 시간 차이가 크게 나지 않는다. 대표적인 경우가 인천(인천국제공항)-뉴욕(존 F. 케네디 국제공항) 노선. 인천에서 뉴욕으로 갈 때는 13시간 30분, 돌아올 때는 14시간 30분 정도 걸린다. 물론 날씨가 좋을 때 제트기류를 잘 타면 뉴욕까지 12시간 중반대에 도착하는 경우도 있다. 반대로 제트기류를 맞으면서 가는 예를 들면 일본 국내선 중 삿포로 - 도쿄처럼 남서쪽으로 가는 항공편은 12km가 넘는 고도에서 하이퍼카의 속도랑 비슷한 시속 300km/h 후반대가 나오는 경우도 간혹 있다. 하지만, 반대 방향일 경우 제트기류를 타기 때문에 국내선 항공편 조차도 같은 12km 넘는 고도에서 기본 1100km/h 이상이 나온다. 속도 차이가 B737 순항속도랑 거의 비슷하다.

2020년 2월 미국 JFK 국제공항을 출발해 영국 런던 히스로 공항으로 가는 영국항공 112편은 이 제트기류 덕분에 통상적으로 6-7시간 정도 걸리는 이 노선을 무려 4시간 56분 만에 주파하는 기록을 세웠다. 콩코드를 제외한 일반 민항기의 상업 운항 역사에서 가장 빠르게 대서양을 횡단한 사례로 남아있다.

참고자료

• 〈기류〉, 《네이버 국어사전》
• 〈기류〉, 《위키백과》
• 〈기류〉, 《두산백과》
• 〈제트기류〉, 《나무위키》

같이 보기

• 온도
• 지형
• 기압
• 위도
• 기상학
• 찬공기
• 온도차
• 상승기류
• 하강기류
• 제트기류

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