대기 대순환과 에너지 수송

핵심 정리

대기 대순환은 저위도와 고위도 사이의 불균등한 가열로 생긴 에너지 차이를 재분배하는 지구 규모의 평균 운동이다. 위도에 따른 지표의 가열과 냉각, 지구 자전에 따른 전향력 때문에 대기는 남북 방향의 순환과 동서 방향의 바람이 결합한 형태로 움직인다. 실제 대기 순환은 계절과 대륙·해양의 분포에 따라 달라진다. 이상화한 모형에서는 세 개의 순환 세포와 그에 대응하는 바람대로 설명한다.

적도 부근에서는 강한 가열로 공기가 상승하고 상층에서 극 쪽으로 이동한다. 공기는 위도 30° 부근에서 하강해 지표 부근에서 발산하며, 이 하강 기류가 아열대 고압대를 만든다. 적도와 아열대 사이의 해들리 순환은 직접 순환이고, 중위도에는 간접 순환인 페렐 순환이 나타난다. 고위도에는 극 순환이 놓인다. 저위도 지방의 순환은 가열된 공기가 상승하는 직접 순환에 해당한다. 지표에서는 고압대에서 공기가 발산하고, 바람은 위도에 따라 무역풍·편서풍·극동풍의 띠를 이룬다.

대기와 해양은 저위도에서 고위도로 에너지를 수송한다. 남북 방향 에너지 수송량은 적도에서 0이고 중위도에서 최대가 된다. 순환의 위치와 세기는 계절에 따라 이동하거나 달라진다. 공전 궤도 이심률과 세차 운동은 계절별 태양 복사 분포에 영향을 준다. 이심률이 클수록 근일점과 원일점에서 받는 태양 복사 에너지양의 차가 커진다.

자세히

지구 표면은 위도에 따라 태양 에너지를 다르게 받는다. 저위도는 태양 에너지가 집중되어 상대적으로 많이 가열되고, 고위도는 상대적으로 적게 가열된다. 이 에너지 차이를 줄이기 위해 대기 대순환과 해류가 저위도의 에너지를 고위도로 수송한다. 대기는 적도에서 극으로 곧장 흐르지 않는다. 공기의 상승과 하강으로 순환이 만들어지고, 지구 자전이 흐름을 휘게 하면서 여러 위도대의 순환 세포와 지표 바람이 형성된다.

순환을 적도에서부터 따라가면, 먼저 적도 부근에서 지표가 가열되어 공기가 상승한다. 상층으로 올라간 공기는 양쪽 반구의 아열대 방향으로 이동하며 냉각되고, 일부는 위도 30° 부근에서 하강한다. 하강한 공기는 지표에 고기압대를 만들고 양쪽으로 퍼진다. 적도 쪽으로 향하는 지표 바람은 전향력의 영향을 받아 무역풍이 된다. 무역풍은 적도 부근의 표층 해수를 서쪽으로 밀어 이동시키며, 표층 해수는 적도 부근에서 발산한다. 해들리 순환의 상승 기류와 하강 기류는 각각 적도 부근과 위도 30° 부근에 우세하다.

위도 30° 부근에서 극 쪽으로 향하는 지표 바람은 전향력으로 동쪽 방향 성분을 갖는 편서풍이 된다. 중위도 상공에도 편서풍이 불며, 태풍은 이 바람의 영향을 받는다. 중위도에서는 따뜻한 공기와 찬 공기의 차이가 큰 영역에서 순환이 형성된다. 페렐 순환은 적도 가열로 직접 구동되는 해들리 순환과 구별되는 간접 순환이다. 따라서 중위도 고기압의 형성 원인을 중위도 공기가 가열되어 상승하는 현상으로 설명해서는 안 된다. 중위도 고기압은 지구 자전과 대기 대순환에 의한 아열대 고압대에서 생성된다.

고위도에서는 차가운 공기가 하강해 극 고압대를 이루고, 지표 부근의 공기는 저위도 쪽으로 이동한다. 전향력의 영향을 받은 지표 바람은 극동풍이 된다. 남극 주변의 극동풍은 고위도 동풍대에서 나타나는 극편동풍이다. 적도와 극 사이에는 해들리 순환, 페렐 순환, 극 순환이 이어져 있지만 각 세포의 성격과 위치는 다르다. 극 순환은 극지방과 고위도 사이에서 일어난다. 남북 방향 바람의 크기는 연직 방향 바람보다 훨씬 크다. 따라서 대순환 자료를 읽을 때 두 방향의 속도를 같은 규모로 해석하지 않는다.

하강 공기는 지표 부근에서 바깥으로 퍼져 나가므로 고압대는 공기가 발산하는 지역이다. 대륙과 해양은 열을 얻고 잃는 속도가 달라 계절별 기압 분포에 영향을 준다. 북반구 겨울에는 대륙이 해양보다 빨리 냉각되어 아시아 대륙 위에 고기압이 발달한다. 대륙 고기압 중심부에서는 하강 기류가 발달한다. 계절에 따라 해들리 순환의 상승 기류 위치도 달라지며, 여름철에는 저위도 쪽으로 이동한다.