지상풍의 개념 - 왜 바람은 고기압 에서는 시계 방향으로 불어 나가고, 저기압에서는 반시계 방향으로 불어들어 올까?

<출처 : https://www.creatrip.com/en/blog/5302/1-Day-Danyang-Paragliding-Trip>

그동안 지균풍, 경도풍에 대한 글은 남겼는데 정작 지상풍에 관한 글을 남기지 않았다는 사실을 알아버렸습니다. 이번 포스팅에서는 지상풍에 대한 내용과 함께 고기압과 저기압에서 왜 바람이 시계 방향으로 불어 나가고, 반시계 방향으로 불어 들어오는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

이번 포스팅과 연관된 다른 글들입니다.

** 지균풍

상층 대기의 바람 - 지균풍

** 경도풍

상층 대기의 바람 - 경도풍

 

  1. 지상풍이란 무엇일까?

지상풍은 말 그대로 지상에서 부는 바람, 좀 더 정확히 설명하자면 지표면 인근에서 불면서 마찰력이 작용하는 바람을 말합니다. 지난 포스팅에서 지균풍과 경도풍에 대해 알아보았는데, 지균풍에 작용하는 힘은 기압경도력과 전향력, 경도풍에 작용하는 힘은 기압경도력, 전향력, 구심력(또는 원심력)이었습니다. 이들의 특징은, 모두 상층 대기에서 부는 바람으로 지상의 마찰력이 작용하지 않는다는 점입니다.

하지만 지상풍은 내용이 조금 다른데, 지균풍, 경도풍과는 달리 지표 인근에서 불며 마찰력이 유효하게 작용하는 경우에 해당합니다. 

이러면 더이상 바람은 등압선에 평행하게 불지 않고, 등압선을 가로질러 고기압에서 저기압을 향하기 시작합니다.

문제를 단순화하기 위해 평행한 등압선상에서 부는 지상풍을 예를 들어보겠습니다.

위 그림처럼 최초 바람은 기압경도력에 의해 저기압을 향하여 불기 시작할 겁니다. 그런데 공기가 움직이기 시작하면, 잘 알고 있는 전향력이 작용하기 시작, 바람은 오른쪽으로 꺾이기 시작합니다. 지균풍 처럼. 그런데, 지균풍과 다르게, 여기에 바람이 부는 반대 방향으로 지면의 마찰력이 작용하게 됩니다. 지균풍에서는 기압경도력과 전향력이 평형을 이루었지만, 여기서는 이제 기압경도력과 평형을 이루는 힘은 전향력과 마찰력의 합력이 되어버립니다.

결국 이 3개 힘이 합력을 이루고 알짜힘은 0이 되어버려, 바람은 더이상 등압선에 평행하지 못하고, 등압선을 가로질러 불게 됩니다. 요런 바람을 지상풍이라고 합니다. 

 

이때 각 세타는 마찰력이 클 수록 증가합니다. 이는 간단하게 증명할 수 있습니다.

마찰과 각도 세타간의 관계를 수학적으로 알아보기 위해 한국말을 모두 기호로 바꾸었습니다. 기압경도력을 Fp, 전향력을 Fc, 마찰력을 Ff로 하겠습니다. 마찰력 Ff와 전향력 Fc의 합력은 기압경도력 Fp와 크기는 같습니다. 그러면, sinΘ는 아래와 같은 관계를 가집니다.

마찰력과 Θ값의 관계를 알아보기 위해 식을 정리하면,

결국, 기압경도력을 상수로 취급하면, 마찰력이 증가할 수록 Θ값이 커져야 함을 알 수 있습니다. 다시말해, 지상마찰이 클 수록 Θ는 증가하여, 바람은 등압선과 더 큰 각도를 이루며 저기압 방향으로 움직이게 됩니다. 실제로 해양에서는 10~20도 산악 지방에서는 20~45도 정도의 각을 이룬다고 합니다.

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  2. 바람 방향이 고기압에서는 시계방향, 저기압에서는 반시계방향인 이유는?

이제 학생들이 수도없이 외우는 저 그림의 이유를 찾아보겠습니다. 고기압에서는 시계방향으로 바람이 불어나가고 저기압에서는 반시계 방향으로 바람이 불어들어오는데, 지구과학I 시간에는 그 이유를 다루지 못하니 그냥 지구 자전효과다. 라고만 이야기할 수 밖에 없습니다. 지구과학II 시간에 지상풍을 배우며 다루기는 하나 뭔가 정확하고 구체적으로 집고 넘어가지는 않습니다.

 

결과를 먼저 얘기 하자면, 지상풍에 작용하는 3개 힘 중 전향력과 마찰력 때문입니다!!!

 

고기압을 예를 들어 설명을 해 보겠습니다. 우리가 알고 있는 고기압의 등압선은 이런 식입니다.

문제를 단순화 하기 위해, 요 등압선을 육각형으로 한번 만들어 보겠습니다.

북반구에서 지상풍은 아래 그림처럼 붑니다.

이 그림을 육각형이 저 위의 등압선에 그대로 가져가서 붙여 보세요.

어떤가요? 시계방향이 되어 버립니다.

 

이제 저기압에도 똑같이 해 봅시다. 그대로 고기압 저기압 방향을 잘 맞추고, 육각형의 등압선에 평행하게 가져다 붙이기만 하면 됩니다.

짠. 반시계 방향이 나옵니다.

 

마찬가지 논리는 남반구에 적용해도 그대로 쉽게 이해가 됩니다. 다만 남반구의 경우 전향력이 애당초 왼쪽으로 작용하기 때문에, 바람이 북반구 처럼 등압선이 나란할 때 왼쪽 아래에서 오른쪽 위 방향으로 바람이 불지 않고, 오른쪽 아래에서 왼쪽 위로 불면서, 고기압은 반시계 방향으로 바람이 불어 나가고, 저기압에서는 시계 방향으로 바람이 불어 들어오게 됩니다.

 

어쨌든, 고기압과 저기압의 바람 방향 역시도 전향력이 크게 영향을 주며, 여기에 마찰력이 더해져 우리가 알고 있는 바람의 형태를 갖추게 된다는 사실을 기억하시면 됩니다.

 

다음번에는 더 재미있는 포스팅으로 찾아 뵙겠습니다.ㅎㅎㅎ