해수를 움직이는 힘
(1) 정역학 평형: 물속 한 지점에서 위쪽 방향으로 작용하는 연직 수압 경도력과 아래쪽 방향으로 작용하는 중력이 평형을 이루고 있는 상태이다. ⇨ 연직 수압 경도력=중력
① 연직 수압 경도력: 해수의 깊이에 따른 수압 차 때문에 생기는 힘으로, 아래에서 위로 작용한다.
⇨ 단위 질량의 해수에 작용하는 연직 수압 경도력=-1/ρ·Δp/Δz
② 중력: 해수를 지구가 당기는 힘으로, 위에서 아래로 작용한다.
⇨ 단위 질량의 해수에 작용하는 중력=g
③ 정역학 방정식: 정역학 평형 상태의 연직 수압 경도력과 중력의 관계를 식으로 나타낸 것이다.
⇨ ΔP=-ρgΔz
⇨ 수심이 10m 깊어질 때마다 수압은 약 1기압씩 증가한다.
(2) 수압: 물속의 한 점에서 받는 압력의 세기로, 모든 방향에서 같은 세기의 압력을 받는다.
① 크기: P=ρgz(P: 수압, ρ: 해수의 밀도, g: 중력 가속도, z: 해수면에서부터의 깊이)
② 특징: 해수의 밀도(q)가 거의 변하지 않는다고 가정하면 수압은 깊이에 비례한다
(3) 해수에 작용하는 힘
① 수평 수압 경도력: 해수의 수평 방향으로의 수압 차 때문에 생기는 힘이다.
- 밀도가 일정한 해수에서 해수면이 경사져 있을 때 수평 거리 Δx 만큼 떨어진 두 지점 A와 B의 해수면 아래 임의의 지점에서의 수압을 각각 PA, PB라 하면 두 지점 사이의 수압 차(ΔP)는 ΔP=PA-PB=ρgΔz이다. 이때 수압 차에 의해 작용하는 수압 경도력은 ΔP×ΔS이고, 해수의 질량(m)은 ρ×Δx×ΔS이다. 따라서 단위 질량에 작용하는 수압 경도력은
1/m×ΔP×ΔS=(ΔP×ΔS)/(ρ×Δx×ΔS)=1/ρ×ΔP/Δx 로 표현된다.
- ΔP=PB-PA=ρgΔz이므로 단위 질량에 작용하는 수압 경도력은 1/ρ×ρ×g×Δz/Δx=g·Δz/Δx로 나타낼 수 있다.
⇨ 단위 질량의 해수에 작용하는 수평 수압 경도력의 크기：g·Δz/Δx
⇨ 수평 수압 경도력의 크기는 해수면 경사(Δz/Δx)에 비례한다.
⇨ 수평 수압 경도력은 수압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 작용한다.
② 전향력: 지구 자전에 의해 나타나는 가상의 힘으로 지구상에서 운동하는 모든 물체에 작용한다.(단, 적도는 제외)
- 방 향: 북반구에서는 물체 운동 방향의 오른쪽 직각 방향으로, 남반구에서는 물체 운동 방향의 왼쪽 직각 방향으로 작용한다.
- 크 기: C=2vΩsinφ (C: 단위 질량의 해수에 작용하는 전향력, v: 해수의 속력, Ω: 지구 자전 각속도, φ: 위도)
⇨ 전향력은 해수의 속력이 빠를수록, 위도가 높을수록 크게 작용한다.
⇨ 정지한 해수, 그리고 적도(위도 0°)에서는 전향력이 작용하지 않는다.
에크만 수송과 지형류
(1) 에크만 수송: 마찰층 내에서 해수의 평균적인 이동은 북반구의 경우 바람 방향의 오른쪽 90° 방향으로 나타나는데, 이를 에크만 수송이라고 한다.
① 에크만 나선: 해수면 위에서 바람이 일정하게 계속 불면 북반구에서 표면 해수는 전향력의 영향으로 바람 방향의 오른쪽으로 약 45ù 편향되어 흐른다. 또한 수심이 깊어짐에 따라 해수의 흐름은 오른쪽으로 더 편향되고 유속이 느려져 해수의 이동 형태가 나선형을 이루는데 이를 에크만 나선이라고 한다.
② 마찰 저항 심도: 해수의 이동 방향이 표면 해수의 이동 방향과 정반대가 되는 깊이를 마찰 저항 심도라고 한다. 마찰 저항 심도까지의 층을 마찰층 또는 에크만층이라고 한다.
(2) 지형류: 수압 경도력과 전향력이 평형을 이루는 상태에서 흐르는 해류를 지형류라고 한다.
① 지형류의 발생 과정
② 지형류의 방향과 유속
- 지형류의 방향: 북반구에서는 수압 경도력의 오른쪽 90° 방향으로, 남반구에서는 수압 경도력의 왼쪽 90° 방향으로 등수압선과 나란하게 흐른다.
- 지형류의 유속(v): v=1/2Ωsinφ·g·Δz/Δx (Ω: 지구 자전 각속도, φ: 위도, g: 중력 가속도, Δz: 해수면 높이 차, Δx: 수평 거리 차)
⇨ 위도가 낮을수록, 해수면의 경사가 급할수록 빠르다.
(3) 에크만 수송과 아열대 해양의 지형류(북반구): 무역풍과 편서풍에 의해 표층 해수에서 에크만 수송이 일어나고 이로 인해 형성된 해수면의 경사에 의해 지형류가 형성된다.
⇨ 대양의 표층 해류는 대부분 지형류이기 때문에 해수면 높이가 같은 지역을 따라 흐른다.
⇨ 해수면의 높이를 관측하면 지형류의 방향을 알 수 있다.
(4) 서안 경계류와 동안 경계류
① 서안 강화 현상: 고위도로 갈수록 전향력이 커지기 때문에 순환을 이루는 해류 중 대양의 서쪽 연안을 따라 흐르는 해류가 강한 흐름으로 나타나는 현상이다.
② 서안 경계류와 동안 경계류
- 서안 경계류: 대양의 서쪽 연안을 따라 좁고 빠르게 흐르는 해류이다.
- 동안 경계류: 대양의 동쪽 연안을 따라 비교적 넓고 느리게 흐르는 해류이다.
③ 세계 주요 해류
- 해양 표면의 물은 바람에 의해 움직일 때 전향력에 의해 북반구에서는 바람 방향의 오른쪽약 45° 방향으로 편향되어 흐른다.
- 적도 해류: 무역풍대에서 형성된 해류로 해양의 동쪽에서 서쪽으로 흐르며, 북적도 해류와 남적도 해류가 있다.
- 북태평양 해류, 북대서양 해류, 남극 순환 해류: 편서풍에 의해 형성된 해류로 해양의 서쪽에서 동쪽으로 흐른다.
- 적도 반류: 적도 무풍대를 따라 서쪽에서 동쪽으로 흐르는 해류이다.
- 서안 경계류는 난류이며, 표층 해류의 염분이 높다.
- 동안 경계류는 한류이며, 표층 해류의 염분이 낮다.
해파
(1) 해파의 발생: 주로 해수면 위에서 부는 바람에 의해 발생하며, 해저 지진 등에 의해서도 발생한다.
(2) 해파의 요소
① 마루와 골: 해파에서 수면이 가장 높은 곳을 마루, 가장 낮은 곳을 골이라고 한다.
② 파장: 마루(골)와 마루(골) 사이의 수평 거리이다.
③ 파고: 골에서 마루까지의 높이이다.
④ 주기: 수면 위의 어떤 지점을 마루(골)가 지나간 후 다음 마루(골)가 지나갈 때까지 걸린 시간이다.
⑤ 전파 속도: 해파의 파장과 주기를 알면 전파 속도를 구할 수 있다. ⇨ 전파 속도 = 파장/주기
(3) 해파와 물 입자의 운동: 바다에서 해파가 발생하여 진행될 때 파의 에너지는 파의 진행 방향을 따라 전달되지만 물 입자는 특정 지점을 중심으로 궤도 운동을 할 뿐 파를 따라 이동하지 않는다.
(4) 해파의 모양에 따른 분류
① 풍랑: 바람에 의해 직접 발생한 해파이며, 마루가 삼각형 모양으로 뾰족하고 파장과 주기가 짧다.
② 너울: 풍랑이 발생지를 벗어나 멀리 전파되어 온 해파이다. 마루가 둥글고 파고는 낮으며 파장과 주기가 길다.
③ 연안 쇄파: 너울이 해안에 접근하면 수심이 감소함에 따라 해저와의 마찰로 파의 속도가 느려지고 파장이 짧아지며 파고가 높아져서 파의 봉우리가 해안 쪽으로 넘어지면서 부서지는 해파이다.
(5) 해파의 작용
① 해파의 굴절: 천해파가 해안에 접근할 때 만보다 곶 부분의 수심이 먼저 얕아지므로 해파의 속도는 만 부분에서 빠르고 곶 부분에서 느려져서 해파의 굴절이 일어난다.
② 침식 작용: 곶에서는 해파의 에너지가 집중되므로 침식 작용이 우세하게 일어난다.
③ 퇴적 작용: 만에서는 해파의 에너지가 분산되므로 퇴적 작용이 우세하게 일어난다.
(6) 심해파와 천해파
① 심해파(표면파): 수심이 파장의 1/2보다 깊은 해역에서 진행하는 해파이다.
- 해저의 마찰을 받지 않으므로 물 입자는 원운동을 하며, 원의 크기는 수심이 깊어짐에 따라 급격히 작아진다.
- 파의 속도(v)는 파장(L)이 길수록 빠르다. ⇨
② 천해파(장파): 수심이 파장의 1/20보다 얕은 해역에서 진행하는 해파이다.
- 해저의 마찰을 받으므로 물 입자는 타원 운동을 하며, 수심이 깊어질수록 타원의 모양이 더욱 납작해지고 해저면 가까이에서는 수평으로 왕복 운동을 한다.
- 파의 속도(v)는 수심(h)이 깊을수록 빠르다. ⇨
해일
해저 지진이나 폭풍 등에 의해 해수면이 비정상적으로 상승하면서 거대한 파도가 밀려오는 현상이다.
(1) 폭풍 해일: 태풍이 접근할 때 낮은 중심 기압과 강한 바람에 의한 해수의 축적으로 해수면이 크게 상승한다. 이때 발생한 해파가 연안으로 오면서 파고가 매우 높아져 피해를 입힌다. 폭풍 해일은 태풍이 접근할 때 만조 시각과 겹치게 되면 더 큰 피해를 준다. 기압이 1 hPa 낮아지면 해수면 높이는 약 1 cm 상승한다. 따라서 중심 기압이 963 hPa인 태풍에 의해서 해수면은 약 0.5 m 상승한다.
(2) 지진 해일(쓰나미): 해저에서 발생한 화산 폭발, 단층 작용에 의한 지진 등의 갑작스런 지각변동에 의해 지반의 상하 이동이 일어나는 경우에 발생한 해파가 연안으로 오면서 파고가 매우 높아져 피해를 입힌다. 지진 해일은 수심에 비해 파장이 매우 길어서 천해파의 특성을 가진다
조석
(1) 조석과 조류
① 조석: 바닷물이 태양과 달의 인력에 의해 주기적으로 상승·하강하는 운동이다.
② 조류: 조석에 의해 나타나는 밀물·썰물과 같은 수평 방향의 해수 흐름이다.
(2) 만조와 간조: 조석의 한 주기 중 해수면이 가장 높은 때를 만조, 가장 낮은 때를 간조라고하며, 만조 때와 간조 때 해수면의 높이 차를 조차(조석 간만의 차)라고 한다.
(3) 기조력: 조석을 일으키는 힘이다.
① 원인: 기조력은 지구가 천체와의 공통 질량 중심을 회전함에 따라 지구상의 각지점에서 생기는 원심력과 지구의 각 지점과 천체 간에 작용하는 만유인력의 합력이다.
② 기조력(F)의 크기: 천체의 질량(M)에 비례하고, 천체까지의 거리(r)의 세제곱에 반비례한다.
⇨ F ∝ M/r3
③ 달과 태양에 의한 기조력: 태양의 질량은 달의 질량에 비해 훨씬 크지만 태양은 달에 비해 지구로부터의 거리가 훨씬 멀다. 따라서 달에 의한 기조력이 태양보다 약 2배 크다.
④ 달에 의한 기조력의 방향: 달을 향한 쪽에서는 만유인력이 원심력보다 커서 기조력이 달 쪽으로 작용하지만 반대쪽에서는 원심력이 만유인력보다 커서 기조력이 달의 반대쪽으로 작용한다.
(4) 조석 주기: 만조(간조)에서 다음 만조(간조)까지의 시간으로 약 12시간 25분(반일주조의 경
우)이다.
① 달의 공전 주기는 약 27.3일이므로 12시간에 약 6.5°만큼 지구 주위를 공전한다.
② 달이 A”에 있을 때 지표상의 A와 A’ 지점은 만조이다. 따라서 A 지점이 12시간 자전하여 A’로 오면 다시 만조가 되어야 하지만 달은 12시간 동안 약 6.5°만큼 공전하여 B”의 위치에 오게 된다. 따라서 A 지점은 A’를 지나 약 6.5° 더 자전한 B 지점에 위치하여야 다시 만조가 된다.
③ 지구가 약 6.5° 자전하는 데 걸리는 시간은 약 25분이므로 반일주조의 경우 조석 주기는 약 12시간 25분이 된다.
(5) 사리와 조금
① 사리(대조): 달의 위상이 삭이나 망일 때로 달과 태양이 평행하게 위치하여 두 천체의 기조력이 합쳐져서 조차가 최대로 되는 시기이다.
② 조금(소조): 달의 위상이 상현이나 하현일 때로 달과 태양이 수직으로 위치하여 두 천체의 기조력이 분산되어 조차가 최소로 되는 시기이다.
참고자료: EBS 지구과학2
