서안경계류와 서안강화현상(feat. 와도)

서안경계류와 서안강화현상은 고등학교 지구과학2에서 꾀 중요하게 다루어지는 내용이다.

 

그런데 교육과정에 서안경계류와  서안강화현상이 수록되어있음에도, 이들이 발생하는 원인은 교육과정을 한참 벗어난다. 그러니 참고서나 교과서에서는 이 내용을 설명하는데 어려움이 많이 따를 수 밖에 없다. 그래서 이번에는 서안경계류와 서안강화현상에 대하여 설명해 보고자 한다. 블로그는 교육과정에서 다소 자유로우니 얼마든지 마구 설명할 수 있다.

 

서안경계류가 발생하는 원인을 설명하기 위해 절대적으로 알아야하는 개념이 와도(vorticity)이다. 와도는 고등학교 교육과정에서 다루지 않는 개념이라 조금 어렵지만, 수식을 배제하고 최대한 쉽게 설명해 보려 한다.

 

** 전향력에 관한 포스팅 참고**

전향력 최대한 쉽게 이해하기

  1. 와도의 개념

  와도란 유체의 회전 정도를 나타내는 물리적 개념으로, 다른 말로는 소용돌이도라고도 한다. 물리에서는 직선운동하는 물체의 운동 정도를 다루는 개념으로 운동량이라는 것을 쓴다. 그리고 회전하는 물체의 운동에 대해서는 각운동량을 쓴다. 와도는 유체에서 각운동량에 비례하는 회전 정도를 다루는 개념이라고 생각하면 조금 쉽게 와닿을 것 같다.

 

  2. 와도의 물리적 표현

  그럼 와도는 물리적으로 어떻게 표현되는지 보면된다. 수식을 최대한 배제하고자 하였으니 여기서는 최소한의 수식만을 다루겠다.

  와도는 보통 w(오메가)로 쓴다. y는 y축 방향을, u는 x축 방향의 속도, x는 x축 방향을, v는 y축 방향의 속도를 의미한다. 편미분 형태로 수식이 되어있는데, 편미분이 어색하면 단순히 미분이라고 보아도 되기는(?)한다. (하지만 정확하게는 편미분을 쓰는것이 맞다.) 여기서 편미분까지 설명하는것은 글의 취지에 한참 벗어나니 단순히 미분이라고 생각해 보자.

 

그럼 첫번째 항은 +이고 x축 방향으로 y축 방향의 속도가 증가함을 의미한다. 그래프로 표현하면 아래와 같다.

<+x 방향으로 속도 v의 증가>

만약 빨간색이 모두 물의 흐름이라고 생각하고, 저기에 바람개비를 두면, 바람개비는 반시계방향으로 회전하게 된다. 바로 아래 그림처럼.

<+x방향으로 속도 v의 증가에 의해 유도되는 회전>

두 번째 항은 y축 방향으로의 속도 u의 변화이다. 그런데 음수이다. 다시말해 +y 방향으로 속도가 감소하고 있음을 나타낸다. 그래프로 표현하면 아래와 같다.

<+y 방향으로 u라는 속도의 감소>

마찬가지로 바람개비를 두면 아래 그림과 같은 회전이 나타난다.

<+y 방향으로 속도 u의 감소에 의해 유도되는 회전>

이를 이제 다시 설명해보면, 유체(물과 같은 것)가 위와같은 형태로 속도변화가 있으면, 위 그림과 같이 반시계 방향의 회전이 유도된다는 뜻이다. 만약 속도변화가 크면 클 수록 당연히 회전도 더 빨리진다. 저런 형태로 유도된 회전이 와도의 하나이다.

반응형

  3. 와도의 종류

  지구는 반시계 방향으로 회전한다. 그래서 와도 역시 반시계성 회전을 +(양의 와도), 시계방향의 회전을 -(음의 와도)로 정의한다. 그리고 지구가 반시계 방향으로 회전함에 의해 지구의 바다나 대기에 유도되는 회전을 행성와도라고 하며, 유체 자체의 지구에 대한 상대적 회전을 상대와도라고 한다. 그리고 행성와도와 상대와도의 합이 절대와도이다. (외력이 없는 한 유체는 절대와도가 보존되는 형태로 운동하려 한다.)

 

  위에서 다룬 경우는 양의 와도이다. 최초에 소개한 공식 역시 양의 와도를 표현하는 형태이다. 음의 와도는 당연히 부호만 바꾸면 된다.

이 정도만 알면 이제 해양의 움직임에 와도를 적용하여 서안강화현상을 설명할 수 있다.

 

  4. 해양의 흐름에 적용

<전 세계 해류(출처 : zum 학습백과)>

태평양이나 대서양의 서쪽에서 흐르는 해류를 먼저 보도록 하자. 태평양에는 쿠로시오해류가, 대서양에는 멕시코 만류가 흐르고 있다. 이들의 공통점은 모두 남쪽에서 북쪽을 향하고 있다는 점이다. 자 그럼 쿠로시오 해류와 멕시코만류는 저위도에서 고위도로 움직이고 있다는 소리고, 이는 이들이 고위도로 가며 받는 전향력이 증가함을 의미한다. (전향력은 속도가 일정하다면 고위도로 갈 수록 증가한다.) 이를 단순화하여 그래프에 표현해 보자.

< 북쪽을 향하여 흐르는 해류에 작용하는 전향력 증가로 유도되는 회전>

갈색 화살표가 북쪽을 향하는 쿠로시오해류나 멕시코 만류이다. 빨간색 화살표가 증가하는 전향력을 나타낸 것이다. 전향력이 증가함에 따라 이 해류에는 앞서 다룬것 처럼 시계방향의 음의와도가 유도되어 버린다. 그런데 북반구의 해류 흐름을 보자. 시계방향이다. 

앗... 해류의 흐름 방향과 유도된 와도의 방향이 같다. 이에 쿠로시오 해류와 멕시코 만류처럼 대양의 서쪽에서 흐르는 해류는 흐름이 강해진다.

 

여기서 위도 증가에 따른 전향력의 증가로 행성와도가 유도되는 데, 방향은 시계방향이다.

 

이제 대양의 동쪽에서 흐르는 흐름을 볼 차례이다. 대양의 동쪽은 태평양의 경우 캘리포니아 해류, 대서양의 경우 카나리아 해류이다.  

아까와는 반대로, 해류가 남쪽을 향하기 때문에, 전향력이 점차 감소한다. 이로인해 행성와도는 반시계뱡향을 띄게된다.

<남쪽을 향해 흐르는 해류에 작용하는 전향력 감소에 의해 유도되는 회전>

바람에 의한 응력으로 유도되는 흐름의 방향, 다시말해 해류의 방향은 당연히 아까와 동일하게 시계방향이다. 행성와도는 반시계방향, 해류의 방향은 시계방향이기 때문에 방향이 반대이고 당연히 상쇄되어 흐름이 약해져 버린다. 빠르게 흐르던 해류가 느려지면 당연히 넓게 퍼져버린다. 이에 동안경계류는 폭이 넓다.

 

동안경계류가 넓은 영역에서 흐르기 때문에 서안경계류는 당연히 폭이 좁아진다. 좁은 영역에서 많은양의 물을 수송해야하기 때문에 흐름이 나타나는 깊이가 깊어질 수 밖에 없다. 이에 서안경계류는 흐름이 빠르고 폭이 좁으며 지형류 평형이 나타나는 깊이가 깊어진다.

 

그리고 이런 원인으로 대양의 회전 중심은 약간 왼쪽으로 쏠려있다.

스톰멜이라는 학자는 이를 실험적으로 증명하기도 하였다. 스톰멜은 3가지 실험을 했는데,

 

1) 지구 자전이 없는 상황.

2) 지구 자전은 있으나 위도별로 전향력이 일정한 상황.

3) 지구 자전 + 고위도로 갈 수록 전향력이 증가하는 상황.

 

1)번 상황 -> 전향력이 없기 때문에 해류가 중심에 몰리지 않고, 지형류 평형 없이 단순하게 바람에 의한 응력만으로 회전이 나타난다. 회전의 중심은 당연히 한 가운데이다.

2)번 상황 -> 전향력이 있어 에크만 수송이 나타나고 해류가 중심으로 몰린다. 하지만 전향력이 일정하여 행성와도가 유도되지 않기 때문에 회전의 중심은 한 가운데이다.

3)번 상황 ->전향력이 있어 에크만 수송이 나타나고 해류가 중심으로 몰린다. 여기에 더하여 전향력이 고위도일수록 증가하기 때문에 행성와도가 유도되어 회전 중심이 서쪽으로 쏠린다.

 

결국 실제 지구에서 나타나는 현상과 동일한 상황은 3)번 상황인 것이다.

  5. 마치며

지구 자전 효과에 의해, 그리고 지구가 구면이기 때문에 전향력이 위도에 따라 증가하는 현상이 나타나며, 지구에는 와도라는 물리항을 적용하여 대기나 해양의 흐름을 설명해야 한다. 이에 와도는 해양 뿐 아니라 대기과학에서도 매우 중요하게 고려해야하는 물리요소이다. 때문에 다소 어렵더라도, 고등학교 교육과정에서도 와도를 다루어야 하지 않나 하는 생각을 해 본다.