비, 바람, 사막에 대하여
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오늘도 굿데이_달리는구름입니다. 오늘은 대기 대순환의 원리를 알아볼게요. 대기(大氣, Atmosphere)는 지구의 주위를 대체로 일정하게 둘러싸고 있는 기체층을 말합니다. 별다른 조건 없이 '대기'라고 표현할 때는 일반적으로 지구 대기권을 가리킵니다. 대기권은 지구의 모든 생명체가 호흡을 할 수 있도록 해 주고, 운석이나 기타 위협적인 요소로부터 생명체를 보호하는 보호막입니다. 대기 대순환이란 이 대기권 내에서 대규모로 일정한 순환과 혼합을 지속적으로 하는 현상을 의미합니다. 시간적으로는 수십 년을 반영하는 결과입니다.
먼저, 위도별 명칭을 살펴볼까요? 적도(위도 0°) 부근은 적도 저기압대, 30°부근은 아열대 고압대, 60°부근은 고위도 저압대, 90°부근은 극고압(대)라고 부릅니다. 여기서 명칭이 모두 '대'로 끝나지요? 이건 띠 모양의 부분이나 지대를 의미합니다. 즉, 모든 라인이 길게 띠 모양이잖아요? 그래서 띠 대(帶) 자를 붙인 겁니다. 그런데 90°부근은 극고압이라고 하고 대를 괄호 안에 넣어서 표현했습니다. 여기서부터는 TMI인데요. 전문가에 따라서는 90°부근을 라인으로 보지 않고, 북극점, 남극점 식으로 좁게 보는 경우가 있습니다. 이럴 경우에는 극고압이 맞죠. 하지만, 전통적으로는 극지방도 고압대로 표현하는 것이 일반적이랍니다.
그런데 여기서 중요한 과학적 사실이 하나 있습니다. 우리가 공기, 즉 대기라고 하는 것은 고정된 것이 아니라 항상 움직이겠지요? 적도, 아열대 고압대, 고위도 저압대, 극고압(대)라고 부르는 건 위도별로 편의상 그렇게 부르는 겁니다. 고정된 값이죠. 예를 들면, 적도는 0°가 맞습니다. 하지만 우리가 알고 있는 적도는 뜨겁잖아요? 그 적도는 0°가 아니라 열적도입니다. 경도마다 기온이 가장 높은 지점을 연결한 선입니다. 지구가 기울어진 채로 공전하기 때문에 계절에 따라 남북으로 이동합니다. 실제 대기는 고정된 것이 아니라 지구적인 범위에서 크게 순환하는 것이지요. 그래서 대기 대순환이라고 부르는 겁니다.
다음으로는 기온, 기압, 풍향(바람의 방향)과의 관계에 대해 이야기해 보도록 하겠습니다. 아래 그림은 어디선가 한 번씩은 본 적이 있을 겁니다. 바로 대류 현상을 나타내는 것이지요.
이 집이 지구라고 가정하고 설명해 볼게요. 기온이 높은 적도 부근에서는 공기(대기)가 뜨거워집니다. 그러면 상승을 하게 됩니다. 상승을 한다는 것은 공기(대기)가 가벼워졌다는 의미입니다. 그러면, 공기(대기)의 압력(기압) 상황에서 보면, 공기(대기)의 압력이 낮아졌다, 즉 저기압인 상태라는 겁니다. 공기(대기)가 뜨거워져서 상승한다는-상승기류라고 합니다-건 저기압 상태로 바뀌었다는 의미입니다. 뜨거우면 저기압 상태에서 상승합니다.(뜨저, 상저)
그렇게 올라간 공기(대기)는 대기권(지붕)에 부딪힙니다. 그리고는 반대편으로 스멀스멀 이동하지요. 이동하는 과정에서 공기(대기)의 온도는 다시 내려가게 됩니다. 지표에서 발생하는 열에너지를 흡수하지 못하기 때문이지요. 그렇게 오랫동안 머물게 되면 물방울(수증기)이 얼게 됩니다. 이것을 이슬점에 도달한다고 표현합니다. 우리가 새파란 하늘 밑에 뭉게뭉게 떠있는 새하얀 구름들이 모두 이슬점에 도달한 수증기가 뭉친 얼음 알갱이들이랍니다. 얼면 무거워지겠지요? 한계에 도달할 정도-포화상태가 되었다고 합니다-로 얼게 되어 무거워지면 중력 때문에 다시 지표를 향해 떨어지게 됩니다. 무거워진 얼음 알갱이는 기존의 공기(대기)를 밀어내면서 길을 만들겠지요? 큰 압력이 가해지는 겁니다. 그래서 주변보다 상대적으로 기압이 높은, 고기압 상태가 된답니다. 차가워지면 고기압 상태에서 하강합니다.(차고, 하고)
대류 현상의 원리로 만들어져 우리 일상에서 아주 소중하게 활용되고 있는 게, 보일러, 천정형 에어컨입니다. 뜨거우면 상승하기 때문에 보일러 호스가 방이나 거실 바닥에 깔려 있는 거랍니다. 차가우면 하강하기 때문에 에어컨이 천장에 매달려 있는 거랍니다.
자, 이번에는 바람의 움직임, 즉 풍향에 대한 이야기입니다. 바람은 공기(대기)의 수평적인 움직임입니다. 대기권 안에서는 진공 - 공기가 없는 상태 - 인 공간이 존재할 수가 없습니다. 실험실 빼고. 그런데 살짝, 과한 상상을 해볼까요? 공기(대기)가 뜨거워지면 저기압 상태에서 상승한다고 했지요? 반대로 공기가 차가워지면 고기압 상태에서 떨어진다고 했지요? 이것을 연결해서 생각해 보세요. 공기(대기)가 올라가는 순간, 원래 공기(대기)가 있는 자리가 비어 버립니다. 그러면 자연 상태에서 진공 상태는 없기 때문에 비어 버리는 그 순간을 기다렸다는 듯이 옆에 있는 공기(대기)가 수평으로 이동해서 채우게 됩니다. 그게 바람이에요. 그래서 바람은 공기(대기)의 수평적인 움직임이라고 하는 겁니다. 결국 바람은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 불게 되는 거지요. 풍향은 바람의 방향이거든요. 예를 들어, '저쪽'에서 '내'가 서 있는 곳으로 바람이 불어오면, 그때 풍향은 '내풍'이 아니라 '저쪽풍'이라고 부릅니다. 우리가 남동풍이라고 부를 때는 남동쪽에서 불어 '온다'라는 의미랍니다. 이럴 경우 '저쪽'은 고기압, '내'는 저기압이랍니다.
위도별 풍향을 알아볼까요? 지금부터 알아볼 위도 간 바람은 1년 내내 일정하게 붑니다. 같은 방향으로. 이러한 바람을 항상풍이라고 합니다. 항상 그렇게 불기 때문이지요. 먼저, 0°는 저기압, 30°는 고기압이니까 0°~30°사이에서는 30°에서 °로 바람이 불게 됩니다. 이 바람을 무역풍(貿易風, trade wind)이라고 합니다. 과거 범선들이 이 바람을 이용해서 무역을 했기 때문에 붙여진 이름입니다. 북반구 0~30°사이에서는 북동쪽에서 남서쪽으로 무역풍이 붑니다. 그래서 북동무역풍이라고 합니다. 남반구 0~30°부근은요? 네, 그렇습니다. 남동무역풍이라고 합니다. 북동무역풍과 남동무역풍이 적도 부근에서 만납니다. 그래서 적도 저압대를 다른 표현으로 '적도 수렴대'라고도 하는 이유입니다. 수렴은 보통 여론 수렴, 의견 수렴처럼 '모으다'라는 의미로 쓰입니다. 서로 다른 방향의 두 무역풍이 '모이는 곳'이 적도라는 의미이지요. 다음으로, 30°~60°사이에서는 어떻게 불까요? 60°가 저기압이고, 30°가 고기압이니까, 이번에는 30°에서 60°로 불겠죠? 이 항상풍을 편서풍(偏西風,westerlies)이라고 합니다. 많이 들어보셨죠? 서쪽에서 동쪽으로 치우쳐서 불어온다는 의미입니다. 세 번째 항상풍은 60°와 90°사이에서 붑니다. 60°가 저기압이고 90°가 고기압이니까 이번에는 90°, 즉 북극과 남극에서 60°를 향해 불러오겠지요? 이 바람을 극동풍이라고 합니다.
마지막으로 위도별 명칭, 기온과 풍향의 원리에 대해 설명했습니다. 이 내용을 위도별 강수량과 증발량이 왜 차이가 나는지 와 연결해서 살펴볼까요? 위에 제시된 그림을 다시 한번 소환해야겠군요.
하늘에서 비나 눈이 내리려면 어떤 조건이 필요할까요? 일단, 하늘에 구름이 있어야 합니다. 그 구름이 전부 수증기가 얼어붙은 얼음덩어리니까요. 그러면, 그 구름은 어떻게 만들어지요? 그렇습니다. 지표에서 수증기가 올라가야 하는 것이지요. 결국 강수(降水, Precipitation;지구의 물 순환 중에서 수증기가 응축하여 땅에 내리는 모든 것)의 전제 조건은 '공기의 상승'인 것입니다. 뜨거워진 공기가 수시로 올라가 항상 넉넉한 구름을 만드는 적도 부근이 강수량이 많은 이유입니다. 반대로, 수증기가 올라가지 못하면 어떻게 될까요? 절대 구름이 만들어지지 못하니까, 강수가 발생할 수 없죠. 지속적으로 하강기류가 발생하게 되는 거니까요. 그게 위도 30°부근의 특징입니다. 그래서 전 세계적으로 건조한 사막이 30°부근에 많이 발달하는 이유랍니다. 30°부근은 강수가 없는데 그나마 지표에 있던 수증기마저도 계속 증발해 버리는 거죠. 그래서 30°부근은 증발량이 강수량보다 많게 됩니다. 사막이 만들어지는 가장 우선적인 조건이 바로 이겁니다.
지금까지 이야기했던 내용을 간략하게 정리해 보겠습니다.
1. (공기가) 차가우면 고기압, (공기가) 뜨거우면 저기압이 됩니다.(차고 뜨저)
2. (공기가) 하강하면 고기압, (공기가) 상승하면 저기압이 됩니다.(상저 하고)
3. 바람은 고기압에서 저기압으로 붑니다.
4. 풍향은 불어오는 방향을 붙여 부릅니다.
5. 항상풍은 무역풍, 편서풍, 극동풍이 있습니다.
6. 적도 저압대는 적도 수렴대라고도 합니다.
7. 강수는 수증기가 상승해야 발생할 수 있습니다.
8. 하강기류가 발생하는 지역에서는 강수가 아니라 사막이 형성됩니다.
