07 대기의 운동과 대기 대순환

대기를 움직이는 힘

(1) 기압: 단위 면적에 작용하는 공기의 무게를 뜻하며, 공기 기둥의 평균 밀도를 ρ, 중력 가속도를 g, 공기 기둥의 높이를 h라고 하면 기압 P는 다음과 같다.

P=ρgh

① 기압의 단위: hPa(헥토파스칼) ⇨ 1hPa=100N/m²

1기압=76cmHg≒1013×100N/m²=1013hPa

② 기압의 변화: 지표면에서 위로 올라갈수록 공기의 밀도가 작아지므로 기압이 낮아진다.

⇨ 수평 방향보다는 연직 방향의 기압 변화가 더 심하다.

(2) 기압 경도력: 두 지점 사이의 기압 차에 의해 생기는 힘으로, 바람을 일으키는 근원적인 힘이다.

① 방향: 고기압에서 저기압 쪽으로 등압선에 직각인 방향으로 작용한다.

② 크기: 기압의 크기가 각각 P, P+ΔP(ΔP>0)이고, 두 등압선이 ΔL 거리만큼 떨어져 있을 때, 면적 S인 A면과 B면에 작용하는 힘은 각각 (P+ΔP)S와 PS이다.

⇨ 기압 차에 의한 힘은 A면에서 B면 쪽으로 작용하고, 그 크기는 ΔPS이다. 직육면체의 공기의 질량은 ρSΔL이므로 공기 1`kg에 작용하는 기압 경도력(PH)의 크기는

이다.

 

(3) 전향력: 지구 자전에 의해 나타나는 겉보기 힘으로, 지구상에서 운동하는 물체에 작용한다.

① 방향: 북반구에서는 수평면상에서 물체가 진행하는 방향의 오른쪽 직각 방향으로, 남반구에서는 물체가 진행하는 방향의 왼쪽 직각 방향으로 작용한다.

② 크기: C=2vΩsinφ

(C: 공기 1 kg에 작용하는 전향력, v: 운동 속도, Ω: 지구 자전 각속도, φ: 위도)

⇨ 정지한 물체와 적도(위도 0°)에서는 전향력이 작용하지 않는다.

(4) 구심력: 물체의 궤적을 직선이 아닌 곡선이 되게 만드는 힘으로, 바람에 작용하는 구심력은 기압 경도력에서의 기압 경도나 중력에서의 질량처럼 이 힘을 만드는 요소가 있는 것이 아니고, 물체에 작용하는 힘들의 합력이다. 바람에 작용하는 구심력은 기압 경도력과 전향력의 차이로 나타난다.

① 방향: 회전축 방향으로 작용한다.

② 크기: CP= v²/r =rω²

(CP: 공기 1kg에 작용하는 구심력, v: 운동 속도, ω: 각속도, r: 회전 반지름)

(5) 마찰력: 지표면 가까이에서 운동하는 공기는 지표면이나 공기 자체의 마찰에 의해 운동을방해하는 힘을 받는데, 이를 마찰력이라고 한다.

① 방향: 바람이 부는 방향의 반대 방향으로 작용한다.

② 크기: 지표면이 거칠수록, 지표면에 가까울수록, 풍속이 클수록 커진다.

 

바람의 종류

(1) 상층에서 부는 바람: 지표면의 마찰력이 작용하지 않는 높이 1 km 이상의 상층 대기에서부는 바람

① 지균풍: 높이 1 km 이상의 상층 대기에서 등압선이 직선으로 나란할 때 부는 바람이다.

• 작용하는 힘: 기압 경도력과 전향력이 평형을 이룬다.
• 풍향: 북반구의 경우에는 기압 경도력의 오른쪽 직각방향으로 분다.
• 풍속: 기압 경도력이 클수록 빠르고, 기압 경도력의 크기가 같은 경우에는 저위도 지방으로 갈수록 빠르다.

② 경도풍: 높이 1 km 이상의 상층 대기에서 등압선이 원형이나 곡선일 때 부는 바람이다.

• 작용하는 힘: 기압 경도력과 전향력의 차이가 구심력으로 작용한다.
• 풍향

– 중심부가 저기압일 때: 북반구에서는 시계 반대 방향, 남반구에서는 시계 방향으로 등압선과 나란하게 분다.

– 중심부가 고기압일 때: 북반구에서는 시계 방향으로, 남반구에서는 시계 반대 방향으로 등압선과 나란하게 분다.

• 풍속: 기압 경도력의 크기가 같은 경우, 중심부가 고기압일 때는 저기압일 때보다 전향력이 크므로 풍속이 더 빠르다.

– 중심부가 저기압일 때: 전향력=기압 경도력-구심력(힘의 크기만을 고려함)

– 중심부가 고기압일 때: 전향력=기압 경도력+구심력(힘의 크기만을 고려함)

(2) 지상에서 부는 바람: 지표면의 마찰력이 작용하는 높이 1 km 이하의 대기 경계층(마찰층)에서 부는 바람

① 등압선이 직선일 때의 지상풍: 높이 1 km 이하의 지표면 부근에서 등압선이 직선일 때 부는 바람으로, 마찰력이 커질수록 바람과 등압선이 이루는 각이 커진다.

• 작용하는 힘: 기압 경도력, 전향력, 마찰력이 작용하는데, 전향력과 마찰력의 합력이 기압 경도력과 평형을 이룬다.
• 풍향: 마찰력 때문에 등압선과 비스듬하게 기압이 높은 쪽에서 기압이 낮은 쪽으로 분다. 지상풍은 북반구에서는 기압 경도력에 대하여 오른쪽으로 비스듬하게, 남반구에서는 기압 경도력에 대하여 왼쪽으로 비스듬하게 분다.

② 등압선이 원형일 때의 지상풍: 마찰력이 작용하지 않는 상공에서는 바람이 등압선과 나란하게 불지만, 마찰력이 작용하는 지상에서는 바람이 등압선에 비스듬하게 분다.

③ 마찰층(대기 경계층)과 자유 대기

• 마찰층(대기 경계층): 지표면 마찰의 영향이 작용하는 지상 약 1 km 높이까지의 대기층으로, 바람이 등압선을 가로질러 비스듬하게 분다.
• 자유 대기: 지표면 마찰의 영향을 받지 않는 곳으로, 지상에서 약 1 km 이상의 대기층이며, 바람이 등압선과 나란하게 분다.

 

편서풍 파동과 제트류

(1) 편서풍 파동

① 발생 원인: 저위도와 고위도의 기온 차와 지구 자전에 의한 전향력 때문에 발생한다.

② 역할: 저위도의 과잉 에너지를 고위도로 수송하고, 지상에 온대 저기압과 이동성 고기압을만든다.

③ 편서풍 파동과 지상의 기압 배치: 편서풍 파동은 지상의 기압 배치에 영향을 준다.

• 기압골의 서쪽: 상층 공기 수렴 → 하강 기류 발달 → 지상에 고기압 형성
• 기압골의 동쪽: 상층 공기 발산 → 상승 기류 발달 → 지상에 저기압 형성

(2) 제트류: 편서풍 파동에서 축이 되는 좁고 강한 흐름으로 대류권 계면 부근에서 남북 사이의 기온 차가 가장 큰 곳에서 나타난다.  제트류에 의해서 남북 방향으로 큰 진폭의 파동이 발생하면 고위도의 차가운 공기는 저위도 쪽으로 내려가고 저위도의 따뜻한 공기는 고위도 쪽으로 올라간다. 이로 인해 남북 사이의 에너지 수송이 활발하게 일어나서 제트류는 전 지구적인 에너지 평형 상태를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

① 한대 (전선) 제트류: 한대 전선대에서 남북 간의 급격한 기온 변화로 인해 기압 차가 커지고기압 경도력이 크게 작용하여 높이 10 km 부근에서 발생한다.

② 아열대 제트류: 적도 부근에서 가열되어 상승한 공기가 고위도 지역으로 향하면서 위도 30° 부근의 높이 13 km 부근에서 전향력에 의해 동쪽으로 편향되어 발생한다.

③ 풍속의 세기: 겨울철이 여름철보다 남북 간의 기온 차가 크기 때문에 기압 경도력이 커져서 제트류의 풍속도 더 빠르게 나타난다.

 

대기 대순환

(1) 대기 순환의 규모

① 대기 순환의 규모: 공간 규모와 시간 규모에 따라 구분한다.

② 대기 순환 규모의 특징

• 공간 규모가 클수록 시간 규모가 커서 수명이 길다.
• 작은 규모의 순환에서는 연직 규모와 수평 규모가 대체로 비슷하고, 큰 규모의 순환에서는 연직 규모에 비해 수평 규모가 훨씬 크다.
• 미규모와 중간 규모는 종관 일기도에 나타나지 않으며, 전향력의 효과는 무시할 수 있을 정도로 작다.

(2) 여러 규모의 순환

① 미규모의 순환

• 난류: 높이 1 km 이하의 대기 경계층(마찰층)에서 나타나는 복잡하고 불규칙한 대기의 흐름이다.
• 토네이도: 깔때기 모양을 하고 있는 거대한 회오리 바람이다. 우리나라 바다에서 생기는 용오름이 이에 해당하며, 때때로 중간 규모로 나타나기도 한다.

② 중간 규모의 순환

• 해륙풍: 맑은 날 해안의 약1 km 이하의 고도에서 육지와 바다의 온도 차에 의해 발생하는 바람이다. 하루를 주기로 낮에는 해풍이, 밤에는 육풍이 분다.
• 산곡풍: 맑은 날 산등성이와 골짜기의 온도 차에 의해 발생하는 바람이다. 주기는 하루이고, 낮에는 곡풍이, 밤에는 산풍이 분다.
• 뇌우: 적란운이 갑자기 발달하면서 천둥과 번개를 동반한 강한 소나기가 내리는 현상이다.

③ 종관 규모의 순환

• 고기압

– 온난 고기압: 대기 대순환에 의해 상층에서 공기가 수렴하여 발생하며, 단열 압축이 일어나는 중심부의 온도가 주변보다 높다.  북태평양 고기압

– 한랭 고기압: 지표면의 냉각으로 공기가 침강하여 발생하며, 중심부의 온도가 주변보다 낮고, 상공에는 저기압이 생긴다.  시베리아 고기압

• 저기압

– 온대 저기압: 고위도의 찬 공기와 저위도의 따뜻한 공기가 만나는 중위도나 고위도에서 발생하는 저기압으로, 기층의 위치 에너지가 운동 에너지로 전환된다.

– 열대 저기압: 수온이 약 27°C 이상인 위도 5°~ 25°의 열대 해상에서 발달하며, 에너지원은 수증기의 응결열이다.  전선이 없고, 이동 경로가 대체로 포물선 궤도이며, 북반구에서는 진행 방향의 오른쪽(위험 반원)이 왼쪽(안전 반원)보다 풍속이 빠르다. 중심부인 태풍의 눈에서는 약한 하강 기류가 발달하여 날씨가 맑다.

④ 지구 규모의 순환

• 계절풍: 여름에는 대륙이 해양보다 빨리 가열되므로 해양에서 대륙으로 바람이 불고, 겨울에는 대륙이 해양보다 빨리 냉각되므로 대륙에서 해양으로 바람이 분다.

(3) 대기 대순환: 지구 규모의 열에너지 이동을 일으키는 가장 큰 규모의 대기 순환

① 지구의 복사 평형: 지구가 태양으로부터 흡수하는 복사 에너지양과 지구가 우주 공간으로 방출하는 복사 에너지양은 같다.

② 위도별 열수지: 지구 전체적으로는 복사 평형을 이루고 있지만, 위도에 따라 에너지 불균형이 나타난다.

• 저위도: 태양 복사 에너지 흡수량>지구 복사 에너지 방출량
• 고위도: 태양 복사 에너지 흡수량<지구 복사 에너지 방출량
• 위도 약 38° 이하의 저위도는 에너지 과잉이, 위도 약 38° 이상의 고위도는 에너지 부족이나타나는데, 그 양은 서로 같다.  대기와 해수의 순환 등에 의해 저위도의 과잉 에너지가 고위도로 이동하므로 지구 전체적으로는 에너지 평형을 이루고 있다.

③ 대기 대순환 구조

• 단일 순환 세포 모델(지구가 자전하지 않을 때): 적도 지방에는 상승 기류가, 극지방에는 하강 기류가 발달하여 북반구 지상에는 북풍만, 남반구 지상에는 남풍만 분다.

• 3 세포 순환 모델(지구가 자전할 때): 지구 자전에 의한 전향력의 영향으로 3개의 순환 세포가 형성된다.

– 해들리 순환: 적도에서 상승하여 고위도 방향으로 이동한 후, 위도 30°에서 하강하여 다시 적도로 돌아온다.

– 페렐 순환: 위도 30°에서 하강하여 고위도 방향으로 이동한 다음 위도 60°에서 상승한다.

– 극순환: 극에서 하강하여 저위도 방향으로 이동한 다음 위도 60°에서 상승하여 다시 극으로 이동한다.

참고자료: EBS 수능 특강 지구과학2