기압 경도력과 전향력

핵심 정리

대기와 해양의 수평 운동을 해석할 때는 먼저 압력 분포가 물체를 어느 쪽으로 움직이게 하는지 살핀다. 기압 경도력은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 작용하고 등압선에 수직이다. 같은 기압 차라도 그 차이가 짧은 거리에 걸쳐 나타날수록 기압 경도력이 크다. 따라서 등압선이 촘촘한 곳은 기압 경도력이 큰 곳으로 해석한다. 기압 경도력은 바람을 일으키는 힘이며, 제시된 힘의 크기를 비교할 때 마찰력보다 크게 작용한다.

공기가 움직이면 운동 방향에 수직인 전향력이 작용한다. 북반구에서 전향력은 운동 방향의 오른쪽을 향하고, 남반구에서는 왼쪽을 향한다. 전향력의 크기는 위도가 높을수록 커지며, 적도에서 극으로 갈수록 커진다. 같은 위도에서는 바람의 속력이 빠를수록 전향력이 크다. 전향력은 운동 방향에 수직이며, 북반구에서는 오른쪽으로 작용한다.

힘의 균형을 보면 바람의 방향을 판단할 수 있다. 북반구 상공에서 기압 경도력과 전향력이 균형을 이루면 바람은 등압선에 나란하게 분다. 지상에서는 마찰 때문에 바람이 등압선을 가로질러 고기압에서 저기압 쪽으로 향하는 성분을 가진다. 북반구 고기압 주위의 바람은 시계 방향으로 돈다. 해양의 지형류도 해수면 경사에 따른 수압 경도력과 전향력이 균형을 이루어 흐른다.

자세히

기압 경도력의 크기는 두 지점의 기압 차이와 지점 사이의 거리를 함께 고려해 판단한다. 기압이 높은 곳과 낮은 곳을 잇는 방향으로 작용하므로 등압선을 기준으로 그리면 등압선에 직각이다. 방향을 정할 때는 높은 기압 쪽에서 낮은 기압 쪽으로 화살표를 그린다. 북반구인지 남반구인지는 이 힘의 방향을 바꾸지 않는다. 반구에 따라 방향이 달라지는 것은 전향력의 방향이다. 문제에서 두 힘을 함께 제시하면 각각의 방향 규칙을 따로 적용한다.

등압선 간격은 수평 기압 변화의 급격함을 나타내는 단서다. 같은 기압 차가 더 짧은 거리에서 나타나면 단위 거리당 기압 변화가 커지므로 기압 경도력이 커진다. 그러므로 등압선 간격이 좁은 곳과 넓은 곳을 비교하는 문제에서는 간격이 좁은 쪽의 기압 경도력이 더 크다. 두 지점의 기압 차가 같다는 말만으로 두 지점의 기압 경도력이 같다고 결론 내릴 수 없다. 기압 차가 같아도 거리 간격이 다르면 힘의 크기도 다르다. 또한 등압면 사이의 기압 차가 같은 상황에서도 등압선 간격을 비교하면 기압 경도력의 상대적인 크기를 판단할 수 있다.

기압 경도력은 수평 방향과 연직 방향을 구별해서 보아야 한다. 대기에서는 고도가 높아질수록 기압이 감소하므로 연직 기압 경도력은 위쪽을 향하고 중력은 아래쪽을 향한다. 정역학 평형에서는 연직 기압 경도력과 중력이 서로 균형을 이룬다. 이때 연직 기압 경도력은 수평 기압 경도력보다 훨씬 크지만, 서로 다른 방향의 힘이므로 수평 바람을 설명할 때 연직 힘을 수평 힘으로 대신해서는 안 된다. 공기 기둥의 질량을 계산하는 자료에서는 밀도와 부피를 곱한다. 기압 차는 질량 그 자체가 아니며, 주어진 밀도와 부피를 이용해 질량을 구한 뒤 자료의 단위와 조건을 확인한다.

수평 기압 분포를 등압선이 아니라 등압면의 높이로 제시하는 자료도 있다. 등압면은 기압이 일정한 면이므로, 그 면의 높이가 수평으로 달라지면 등압면의 기울기를 통해 수평 압력 차이를 해석할 수 있다. 같은 등고도면이라고 해서 기압이 반드시 같지는 않다. 수평 위치에 따라 기압이 달라질 수 있고, 등압면의 기울기 차이도 기압 차이와 연결된다. 같은 등압면에서 등고도선의 높고 낮음만 보고 고기압·저기압을 단정하는 것도 피해야 한다. 같은 등압면에서는 등고도선이 높은 곳이 고기압 쪽이라는 식으로 해석하지 않으며, 고도가 낮은 곳의 기압이 낮은 쪽과 연결되는 관계를 적용한다.

전향력은 지구 자전에 따른 효과로, 움직이는 공기의 진행 경로를 휘게 한다. 공기가 정지해 있을 때에는 운동 방향 자체가 없으므로 전향력도 운동하는 공기에 작용하는 힘으로 다룬다. 전향력은 운동 방향에 직각이며, 북반구에서는 진행 방향의 오른쪽으로 작용한다. 남반구에서는 왼쪽으로 작용한다. 이 방향 규칙은 바람이 동쪽으로 부는지 서쪽으로 부는지와 무관하게, 그 순간의 운동 방향을 기준으로 적용한다. 따라서 그림에서 화살표가 주어지면 먼저 바람 화살표를 확인하고, 그 진행 방향에서 오른쪽 또는 왼쪽을 찾아 전향력의 방향을 정한다.

전향력의 크기에는 위도와 속력이 함께 영향을 준다. 위도가 같다면 속력이 큰 바람에 더 큰 전향력이 작용한다. 속력이 같다면 위도가 높은 곳에서 전향력이 더 크다. 따라서 두 지점의 전향력을 비교할 때는 한 조건만 비교해도 되는지 먼저 살펴야 한다. 위도와 속력이 모두 다르면 한쪽 조건만으로 결론을 내리지 말고 각 조건이 전향력에 미치는 방향을 따져야 한다. 전향력은 위도에 따라 달라지고 위도가 높을수록 커진다. 같은 위도에서 속력이 증가하면 전향력의 크기도 커진다.