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대기순환
대기순환(大氣循環)은 대기가 주기적으로 자꾸 되풀이하여 돌거나 그런 과정을 말한다. 대기대순환(大氣大循環, Atmospheric circulation)이라고도 한다.
개요
대기순환 또는 대기대순환은 전 지구적인 대기 운동으로 세 개의 연직 순환(鉛直循環)과 세 개의 항상풍으로 이루어져 있다. 전 지구적으로 벌어지고 있는 열전달 운동의 일환이다. 참고로 지구뿐만 아니라 대기를 가지고 있는 모든 천체에서 대기 대순환이 일어날 수 있다. 그 형태는 다름 아닌 바람이다.
지구가 자전하지 않는 상태라고 가정하면 전 지구적 열적순환과정에서 적도지방의 공기는 태양 복사 에너지를 받고 상승해 주변으로 퍼져나가는데, 이 퍼져나가는 공기의 흐름은 고위도 지방을 향해간다. 고위도로 가면서 열을 주변에 빼앗기게 되고, 극지방에 도달하면 냉각되어 하강해 저위도 지방으로 간다. 다시 적도지방으로 온 공기는 열 받아서 상승하고, 상승한게 극지방으로 가고, 냉각돼서 하강하고, 다시 적도로 이런 식으로 무한히 순환하게 되고, 이 순환하는 공기의 흐름은 북반구에 하나, 남반구에 하나씩 존재하게 될 것이다. (이때 각각의 순환을 세포(cell)라고 한다.)
그런데 지구는 자전한다는 점이 문제이다. 동시에 자전하고 있는 거대한 구인 지구는 필연적으로 적도 지역과 극지방에서 자전 속도에 차이가 날 수밖에 없고, 이 속도의 차이로 전향력이라는 가상의 힘이 작용한다. 공기의 흐름도 예외가 아니어서, 이 전향력 때문에 공기의 흐름(바람) 운동에도 변화가 생기게 된다. 그 결과 원래라면 하나의 커다란 순환 세포여야 할 것이 3개의 자잘한 순환 세포로 나누어지게 된다. 그러므로 지구의 대기는 위도 0°, 30°, 60° 기준으로 크게 3개의 연직순환과 3개의 항상풍으로 이루어져 있다. 물론 남반구와 북반구는 대칭적인 형태를 띠게 된다.
대기 대순환이 중요한 이유는, 이것이 세계의 기후(climate), 더 나아가 문화(culture)와 깊은 연관이 있다는 점이다.[1][2]
상세
대기순환 또는 대기대순환은 지구 전체를 둘러싼 대기의 운동으로 장기간에 걸쳐 대기 평균상태가 이뤄지게 해준다. 지구자전, 해륙분포, 지표특성 등으로 인하여 대기대순환은 열대세포, 중위도세포, 극세포의 3개의 순환세포로 구성된다. 위도 0~30˚까지 무역풍, 30~60˚는 편서풍, 60~90˚는 극동풍이 불고, 각 풍계 사이로 적도무풍대, 아열대고압대, 한대전선이 위치한다. 지구를 둘러싸고 있는 공기의 운동은 규모에 따라서 여러 가지로 나눌 수 있다. 그 중 가장 규모가 큰 대기의 흐름이 대기대순환이다. 대기의 운동 및 대기 중의 여러 현상은 각종 에너지의 생성·소멸·전환 등에 기인한다. 특히 대순환의 유지 및 강도는 이들 에너지의 크기에 좌우된다. 대기대순환을 일으키는 근본 인자는 태양에너지이다. 적도지방의 더운 공기가 상승하고 극지방의 찬 공기가 하강하는 대류에 의해 순환이 시작되며, 이 순환에 의하여 에너지가 이동하게 된다.
일반적으로 열대지방은 입사되는 복사량이 방출되는 복사량보다 많고, 중위도와 고위도에서는 입사량보다 방출량이 많다. 단기간의 국지적인 평균값은 평형을 이루지 못하지만, 출입하는 복사량은 장시간에 걸친 전체 계(系)에서 보면 평형을 이룬다. 그 이유는 바람이나 해류에 의해서 저위도 지방으로부터 고위도 지방으로 열 수송이 있기 때문이다. 저위도대는 남은 복사량의 일부를 고위도로 수송하고 고위도지방에서는 열 수송을 받아 부족한 열량을 얻게 된다. 따라서 한대지방에서 온도가 계속 하강하거나, 적도 부근에서 계속 상승되지 않는다. 위도권을 횡단할 때 외계로 방출되는 장파복사에너지의 위도에 대한 변화는 입사되는 단파복사에너지의 위도에 대한 변화보다 훨씬 적다. 지구 전체에 걸치는 규모의 대순환에는 알류샨저기압, 아이슬란드저기압 및 아열대고기압 등과 같은 반영구적인 고기압·저기압이 이에 속한다.
대기순환은 주로 이러한 소용돌이에 의해 에너지를 공급받아 유지된다. 또한, 중위도 지방의 간접순환의 경우는 에너지를 소모시키는 구실을 하므로 계속적인 에너지 공급이 없이는 유지될 수 없다. 편서풍대 내의 고기압·저기압은 간접순환을 유지시키는 중요한 에너지의 공급수단이 된다. 작은 규모의 운동을 제외한 지구상의 공기의 운동을 장기간의 시간간격으로 평균을 취하면, 다만 완만한 속도와 대규모의 운동만 남게 된다. 대기대순환은 바로 이 장기간의 대기의 평균상태를 설명하는 것이다.
지구상의 풍계(風系)는 지구 자전의 영향뿐만 아니라 해륙의 분포와 지표면의 특성에 의해 많은 영향을 받고 있어서 매우 복잡한 성격을 띤다. 위도 0°에서 30° 사이에는 북동무역풍이 불고, 위도 30°에서 60° 사이에는 편서풍이, 위도 60°에서 90° 사이에는 극동풍이 분다. 또한 적도지방에는 적도무풍대, 30° 부근에는 아열대고압대, 60° 부근에는 한대전선대가 위치한다. 한편, 북반구와 남반구의 풍계는 서로 대칭을 이룬다. 이와 같이 대기대순환은 3개의 연직순환과 3개의 풍계로 되어 있다. 일사(日射)에 의해 가열된 적도의 더운 공기는 상승하여 극지방으로 이동하게 되므로 적도지방은 저압대가 형성되며, 이 저압대 내에서는 기압경도력이 약하여 바람이 약하게 되므로 적도무풍대가 된다.
북으로 이동하는 적도상의 더운 공기는 지구 자전에 의해 편향되어 상공의 편서풍을 형성하지만 이 운동은 극향성분(極向成分)을 가지며 하루에 1∼2℃ 냉각되고 북으로 이동하여 위도 30° 부근에 도달하였을 때는 이곳에서 하강기류를 형성한다. 하강기류역은 밀도가 크게 되어 아열대고압대를 형성하게 되며, 매우 건조한 지역이 되어 세계의 대부분의 사막이 이곳에 위치한다. 아열대고압대에서 불어나오는 공기는 그 일부가 적도로 되돌아가고 나머지는 고위도로 이동하게 되는데, 적도지방으로 이동하는 공기는 편향하여 북반구에서는 북동무역풍, 남반구에서는 남동무역풍이 되고 적도 부근에서 수렴하게 된다. 이 수렴대를 적도수렴대라고 하며, 계절에 따라 남북으로 다소 진동하며 많은 비를 내리게 한다.
한편, 고위도지방으로 이동하는 공기는 편향하여 편서풍이 되므로, 위도 30°에서 60°에 걸친 지역은 광범위하게 서풍이 나타난다. 적도지방과 달리 극지방은 공기의 냉각으로 인하여 극고기압이 형성되고 이 고기압으로부터 불어나오는 공기는 편향되어 극동풍을 형성하고 중위도의 편서풍과 위도 40 ∼60° 부근에서 서로 접하면서 한대전선대를 형성한다. 이 전선대는 중위도 저기압 형성역으로 부근의 여러 저기압과 더불어 많은 강수를 동반한다. 이 불연속면에 접하여 더운 공기는 상승하여 일부는 극지방으로, 일부는 저위도로 이동하게 되는데 극지방으로 이동하던 공기는 편향되어 상공의 서풍을 형성한다. 저위도지방으로 이동하던 공기는 비록 전향력이 이 공기를 동풍이 되도록 영향을 미치지만, 이미 전향력을 극복할 만큼 충분한 동향운동량을 가지고 있어서 이 지역에서의 바람은 모든 상공에서 서풍이 된다. 이와는 별도로 아열대고압대로부터 극지방에 달하는 광대한 상공 지역에 서풍이 불게 되는데 이 바람을 제트류라 한다. 제트류는 대류권의 상부나 대류 권계면 하부에서 초속 50∼100m의 속도로 일정하지 않게 좁은 폭을 가지고 분다.
결과적으로 대기대순환은 열대세포·중위도세포·극세포 등 3개의 순환세포를 가지고 있다. 열대세포와 극세포는 더운 공기의 상승과 찬 공기의 하강에 의하여 생기는 열대류인데, 중위도세포는 두 개의 직접순환에 의해 생기는 순환으로 찬 공기가 상승하고 더운 공기가 하강하는 간접순환이다. 따라서 열대류에 의한 직접순환은 위치에너지가 에너지를 만들지만, 중위도의 간접순환은 에너지 소모에 의해 유지된다.[3]
연직 순환
- 해들리 순환(Hadley Cell): 적도에서 상승했다가, 중위도(위도 0°~30°) 지역에서 다시 하강하는 순환을 말한다. 지구의 어떤 위도대 보다도 상대적으로 태양 복사 에너지를 많이 받는 적도 부근에서는 가열이 쉽게 일어나 대류 활동이 활발해진다. 이로 인해 가열, 상승된 공기는 위로 올라가서 고위도 지역으로 퍼져나가게 된다. 그리고 적도 지역은 자연스럽게 공기가 빠져나가므로 저기압이 형성되고, 공기가 모이게 된다. 이를 적도 저압대 또는 적도 수렴대라고 한다. 영어로는 Intertropical Convergence Zone이라고 하는데, 약어로 ITCZ라고 많이 사용한다. 위로 올라간 공기는 북반구든 남반구든 상관없이 고위도를 향해 진격하다 점점 차가워지는데, 찬 공기는 자연히 내려가게 된다. 이것이 위도 30도 부근이다. 즉, 위도 30도 부근에서 하강 기류가 형성된다는 것이다. 이로 인해 생기는 고기압대를 아열대 고기압이라고 한다. 우리가 알고 있는 사막들 중에 끝없이 펼쳐진 모래가 있는 사막이 바로 이 아열대 고압대가 만든 사막들이다.
- 페렐 순환(Ferrel Cell) : 중위도(위도 30°~60°) 지역에서의 순환, 간접순환이다. 중위도 지역 중 위도 20°~35°의 하강 기류가 일어나는 지역을 아열대 고압대 또는 말위도라고 한다. 말위도는 영어로 horse latitudes라고 쓴다. 건조한 지역이라 육상에서는 사막이 나타나기도 하며, 해상에서는 무풍지대가 형성되기도 한다. 말위도라는 명칭은 스페인 선원들이 대서양의 이 지역을 항해할 때 종종 장기간의 무풍으로 말을 더 이상 먹일 수 없어 바다에 버려야 했던 상황에서 유래되었다.
- 극 순환(Polar Cell) : 극지방에서 하강, 고위도(위도 60°~90°) 지역에서 다시 상승하는 순환을 말한다. 고위도 지역 중 위도 60° 지역을 한대전선대라고 한다. 영어로는 polar front라고 한다. 여기서는 적도 지역과 비슷하게 저기압이 형성되는데 이를 한대저기압이라고 한다.[2]
항상풍
- 무역풍(위도 0°~30°): 중위도 고압대(위도 30°)→적도 수렴대(위도 0°) 방향의 바람. 전향력으로 인해 바람 방향이 꺾이게 되어 북반구에서는 북동무역풍이, 남반구에서는 남동무역풍이 분다.
- 편서풍(위도 30°~60°): 중위도 고압대(위도 30°)→한대 전선대(위도 60°) 방향의 지상풍(地上風)이다.
- 극동풍(위도 60°~90°): 극 고압대(위도 90°)→한대 전선대(위도 60°) 방향의 항상풍이다
이외에 열대성 저기압 폭풍인 태풍, 허리케인과 고기압성 폭풍인 반싸이클론이 해당된다. 이 쪽은 적도 지역의 엄청난 에너지를 중위도 지역으로 전달해주는 역할을 해준다.[2]
대기순환의 규모
대기순환은 수평 규모와 지속 시간에 따라 미규모, 중간 규모, 종관 규모, 지구 규모로 분류된다. 수평 규모가 클수록 지속 시간도 길며 큰 규모의 순환과 작은 규모의 순환이 겹쳐 일어나므로 대기의 운동은 매우 복잡하다. 대기의 순환은 수평적으로는 겨우 몇 mm 정도의 크기에서부터 지구 둘레와 같은 크기까지, 연직적으로는 지표면에서부터 대류권까지 다양한 규모로 나타난다. 그리고 이에 상응하는 시간 규모 또한 수초 미만의 짧은 시간에서부터 몇 개월 또는 몇 년까지의 범위로 다양하게 나타난다. 대기의 규모와 순환은 크기와 지속 시간에 따라 미규모(micro scale), 중간 규모(meso scale), 종관 규모(synoptic scale), 지구 규모(global scale)로 분류된다.
대기의 순환은 편의상 그 순환 운동이 차지하는 수평 규모와 시간 규모에 따라 지구 규모·종관 규모·중규모·미규모로 구분하는데, 대체로 수평 규모가 크면 시간 규모도 크게 나타난다. 지구 규모의 순환은 대기의 순환 중에서 규모가 가장 크고 지속 시간도 가장 긴 순환으로, 중위도 지방의 편서풍 파동·적도 지방의 무역풍 그리고 대기 대순환 등이 이에 속한다. 종관 규모의 순환은 매일 매일의 날씨를 크게 좌우하는 순환으로, 수평 거리가 수백 km에서 수천 km에 이르고 수명이 수 일 정도 되는 순환으로 일기도에서 볼 수 있는 고기압·저기압·태풍 등이 이에 속한다. 중규모의 순환은 수평 규모가 수 km에서 수백 km 정도이고, 지속 시간이 보통 수 시간 정도인 순환으로 뇌우·산곡풍·해륙풍 등과 같은 현상이 이에 속한다.
미규모의 순환은 대기의 순환 중에서 규모가 가장 작아 1cm~100m 정도의 수평 규모로 지속 시간도 가장 짧은 순환으로 대기의 경계층 내에서 나타나는 작은 소용돌이와 난류가 이에 속한다. 이들 순환의 연직 규모를 보면 작은 규모의 순환들은 수평 규모와 연직 규모가 대체로 비슷하지만, 큰 규모의 순환들은 수평 규모가 연직 규모보다 훨씬 크다. 따라서 큰 규모의 순환에서는 대기가 수평 운동을 하는 것처럼 나타나지만, 실제로는 큰 규모의 순환과 작은 규모의 순환이 겹쳐 일어나므로 대기의 운동은 매우 복잡하다.[4]
동영상
각주
참고자료
같이 보기
