상층 대기의 바람 - 경도풍

지난 포스팅에서 지균풍에 대한 내용을 보았습니다.

상층 대기의 바람 - 지균풍

 

지균풍은 등압선에 평행하게 부는 바람으로, 지균풍에 작용하는 알짜힘은 0 입니다. 때문에 지균풍은 등속도 운동을 하여, 속도에 의해 공기가 모이거나(수렴) 벌어지는 일이(발산) 없다는 이야기를 했습니다. 지균풍 만으로는 공기의 수렴 발산이 발생하지 않으니 하층 대기에 날씨 변화를 주기도 어렵습니다.

 

하지만 상층대기에는 지균풍만 부는것이 아닙니다. 다시말해 직선운동하는 바람만 있는게 아니라 곡선 운동, 즉 회전운동하는 바람도 존재합니다. 이 바람을 경도풍이라고 합니다. 경도풍의 존재로 인해 상층 공기의 수렴과 발산이 가능해지고, 때문에 지상에 날씨변화를 줄 수 있습니다.

 

(대기과학에서는 자연좌표계에서 힘의 균형을 다루나, 여기서는 내용의 이해와 편의를 위해 직각좌표계에서 힘의 크기를 위주로 평형 관계를 다루니 참고 바랍니다.)

 

  1. 경도풍에 작용하는 힘

지난 포스팅에서 언급한 바람에 작용하는 5가지 힘은 기압경도력, 중력, 전향력, 원심력, 마찰력입니다. 지균풍의 경우 기압경도력과 전향력만이 유효했지만, 경도풍은 회전운동하는 공기이기 때문에 여기에 원심력이 추가됩니다. 중력과 마찰력은 지균풍과 마찬가지로 무시할 수 있습니다. 종합하면, 경도풍에 작용하는 힘은 기압경도력, 전향력, 원심력(또는 구심력)이 됩니다.

 

  2. 경도풍의 운동

대기의 회전운동에는 저기압성 회전과 고기압성 회전이 있는데, 이는 경도풍도 마찬가지입니다. 그런데 저기압성 회전과 고기압성 회전에서 기압 경도력이 작용하는 방향이 다르기에, 회전 속도에 다소 차이가 있습니다.

그림을 보면 알겠지만, 저기압에서는 기압 경도력은 회전 중심 방향으로, 고기압에서는 회전 반대방향으로 작용하고, 전향력은 기압경도력의 반대로 작용합니다. 또한, 북반구에서 저기압은 시계 반대방향으로, 고기압에서는 시계방향으로 회전함에 따라 전향력은 저기압에서는 회전 반대방향으로, 고기압에서는 회전 중심방향으로 작용하게 됩니다. 그림을 보면 쉽게 알 수 있을 것입니다.

 

그런데 이 아이들은 회전운동하는 아이들입니다. 지균풍처럼 기압경도력과 전향력의 힘이 같아버리면, 알짜힘이 0, 다시말해 가속운동하지 않습니다. 회전운동하기 때문에 기압경도력과 전향력의 차이가 0이어서는 안되며, 이 차이가 구심력을 일으켜 회전운동하게 하는 것 입니다.

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  3. 저기압성 경도풍

공기는 저기압에서 반시계방향으로 회전합니다. 따라서 전향력은 회전 중심의 반대방향으로 작용하고, 중심의 기압이 낮기 때문에 기압경도력은 회전 중심방향으로 작용하게 됩니다. 따라서 힘의 균형은

 

구심력=기압경도력-전향력

 

이며, 이를 수식으로 표현하면

풍속은 전향력 항인 fv에서 결정됩니다. 따라서 식을 다시 쓰면

참고로 여기서 f는 코리올리 인자(코리올리 파라미터)입니다.

  4. 고기압성 경도풍

고기압이기 때문에, 저기압과는 반대로 시계방향의 회전이 나타납니다. 따라서 전향력은 회전의 중심방향으로 작용합니다. 고기압이기 때문에 중심에서 기압이 더 높습니다. 이로인해 기압경도력은 회전 중심의 반대방향으로 작용하게 됩니다. 힘의 균형은

 

구심력 = 전향력 - 기압경도력

수식으로 표현하면

마찬가지로 풍속을 보기 위해 전향력에 대하여 식을 다시 쓰면

  5. 풍속의 빠르기 비교

이제 이 아이들과 지균풍의 풍속을 비교해 보겠습니다. 저기압성 경도풍은

로, 지균풍과 비교하면, 기압경도력에 뭔가 숫자를 더 뺐습니다. 지균풍의 풍속이 

인걸 생각해보면 쉽게 이해됩니다. 저기압성 경도풍은 지균풍과 비교했을 때 기압경도력에 구심력을 뺀 값이기 때문에 풍속이 더 느려집니다.

 

고기압성 경도풍은 얘기가 조금 달라집니다. 고기압성 경도풍의 경우 지균풍의 풍속 관계와 비교했을 때 구심력을 더한 상황입니다.

따라서 크기 비교를 하면 저기압성 경도풍<지균풍<고기압성 경도풍이 됩니다.

이렇게 되면 바람이 저기압성 경도풍->지균풍->고기압성 경도풍으로 진행하면 점점 속도가 빨라지는 발산이 발생하고, 고기압성 경도풍->지균풍->저기압성 경도풍으로 진행하면 점점 속도가 느려집니다.

 

 

  6. 하층의 날씨를 지배한다

앞서 이야기 한 것 처럼, 지균풍 만으로는 날씨의 변화가 발생하지 않습니다. 왜냐하면, 지균풍만이 존재할 때 상층 대기 바람의 속도변화가 없고, 이로인해 공기의 수렴과 발산도 나타나지 않으며, 이로인해 하층에 저기압이나 고기압이 만들어지지 않습니다.

 

경도풍과 같은 지균풍이 아닌 바람이 존재하기에 상층의 수렴이나 발산이 나타나며 이로인해 하층의 날씨에 변화가 발생하는 것입니다. 이는 중위도대의 편서풍파동, 제트류 등과 함께 연계되어 하층의 날씨 변화에 지대한 영향을 주는 요소입니다. 이에 대한 내용은 다음 포스팅에서 다루겠습니다.

 

  7. 기압경도가 큰 고기압은 어째서 존제하지 않을까?

그런데 이를 편서풍 파동에 적용하는건 큰 문제가 안되는데, 일반적으로 생각해 보면 엄청나게 기압차가 심한 고기압은 존재하지 않습니다. 기압차가 엄청 심한 경우는 거의 대부분 저기압입니다. 이 내용 역시 다음포스팅에서 다루겠습니다.

태풍같은 강력한 바람의 고기압은 어째서 존재하지 않을까?