대기 대순환과 해들리 순환

핵심 정리

대기 대순환은 지구 규모에서 일어나는 대기의 평균적인 순환으로, 지표 부근의 바람뿐 아니라 상층의 공기 흐름도 포함한다. 그 근본 원인은 저위도와 고위도 사이의 태양 복사 에너지 흡수량 차이와 지구 자전에 따른 전향력이다. 저위도에서는 흡수한 태양 복사 에너지가 방출한 지구 복사 에너지보다 많아 에너지 과잉이 생기고, 고위도에서는 상대적으로 에너지 부족이 생긴다. 대기와 해양은 저위도에서 고위도 방향으로 에너지를 수송하여 위도에 따른 불균형을 완화한다.

이상화한 대기 대순환은 위도별로 해들리 순환, 페렐 순환, 극순환의 세 셀로 설명한다. 저위도에서 열을 직접 수송하는 해들리 순환은 적도 부근의 상승과 아열대의 하강으로 이루어진다. 아열대 고압대는 해들리 순환의 하강 기류로 형성된다. 해들리 순환과 페렐 순환이 만나는 곳의 지상에는 고압대가 형성된다.

공기가 상승하는 지역의 지상은 저기압 영역이고, 하강하는 지역의 지상은 고기압대가 된다. 대기 대순환에서 상승 기류가 나타나는 지역은 하강 기류가 나타나는 지역보다 저위도에 위치한다. 전향력은 대기의 흐름을 휘게 하며, 페렐 순환은 지구 자전에 의한 전향력 때문에 생긴다. 제트류는 상층의 좁은 띠를 따라 부는 강한 바람이다. 아열대 제트류는 아열대 상층에서 부는 서풍 계열의 강한 바람이다.

계절에 따라 대기 순환과 제트류의 위치 및 세기가 달라진다. 겨울철에는 여름철보다 제트류 중심이 저위도 쪽에 위치하며, 제트류 중심 풍속도 겨울철에 더 강하다. 남북 온도 차가 큰 겨울에는 제트류의 풍속이 더 강하다. 극 제트와 아열대 제트는 모두 서풍 방향으로 분다.

자세히

대기 대순환을 이해할 때에는 먼저 위도에 따른 에너지 차이를 살핀다. 저위도는 태양 복사 에너지 흡수가 많아 에너지 과잉이고, 고위도는 상대적으로 에너지 부족이다. 이 차이가 유지되면 위도에 따른 기온 차이가 생기므로 대기와 해양의 운동을 통해 열과 수증기가 남북으로 이동한다. 저위도와 고위도 사이에는 대기와 해양에 의한 남북 방향의 에너지 수송이 일어난다. 따라서 에너지 이동은 바람의 방향만 외우는 문제가 아니라, 지구 규모의 열 불균형을 줄이는 순환의 역할로 이해해야 한다. 대기는 평균적으로 움직이지만 실제 흐름은 계절과 지표 조건에 따라 달라진다.

해들리 순환의 출발점은 적도 부근의 강한 가열이다. 공기가 데워지면 밀도가 작아져 상승하고, 그 결과 적도 부근 지상에는 저압대가 형성된다. 상승하는 공기에서는 수증기가 응결하고 잠열이 방출된다. 상층에 도달한 공기는 극 쪽으로 이동하면서 냉각되고 건조해진다. 아열대 부근에서 공기가 하강하면 단열 압축으로 온도가 높아지고, 하강 기류가 지상에 고압대를 만든다. 이 아열대 고압대는 해들리 순환의 하강 기류로 형성된다. 지표 부근에서는 공기가 적도 쪽으로 되돌아간다. 이렇게 적도 부근의 상승, 상층의 극 방향 이동, 아열대의 하강, 지표의 적도 방향 이동이 하나의 순환 고리를 이룬다. 저위도의 해들리 순환은 열을 직접 수송하는 직접 순환이다.

지표 부근의 공기는 적도 쪽으로 이동하는 동안 전향력의 영향을 받는다. 북반구에서는 진행 방향의 오른쪽, 남반구에서는 왼쪽으로 휘므로 두 반구의 무역풍은 각각 북동무역풍과 남동무역풍이 된다. 적도 부근에서는 이 바람들이 수렴하고 공기가 상승한다. 상승과 하강을 연결하여 보면 지상의 저압대와 고압대는 연직 운동과 함께 나타난다. 해들리 순환과 페렐 순환 사이 지상에는 아열대 고압대가 놓인다. 그러므로 지상 기압을 판단할 때는 상층 등압면의 높이와 지상 기압을 같은 것으로 취급하지 말고, 해당 지역에서 공기가 상승하는지 하강하는지 확인해야 한다. 상승 기류가 있는 곳은 지상 저기압 영역이고, 대기 대순환의 하강 기류가 나타나는 곳에는 고압대가 형성된다.

세 순환 셀은 위치와 성격을 비교하면 구분하기 쉽다. 해들리 순환은 저위도에서 일어나는 직접 순환이고, 페렐 순환은 중위도 대기 순환 셀이다. 극순환은 고위도에 놓인다. 이 셀들은 지구 자전이 없는 단순한 열적 순환과 같지 않다. 특히 페렐 순환은 지구 자전에 따른 전향력 때문에 생긴다. 한편 해들리 순환은 저위도에서 가열된 공기가 상승하고 아열대에서 하강하는 구조로, 열을 고위도 방향으로 직접 전달하는 셀이다. 상승하는 지역과 하강하는 지역의 위도 관계를 판단할 때에는 순환의 수직 운동을 기준으로 삼는다. 상승 기류가 나타나는 지역은 하강 기류가 나타나는 지역보다 저위도에 위치한다.