해수의 심층순환(열염순환)

  1. 열염순환의 기본

  해수 순환은 크게 2가지로 볼 수 있습니다. 풍성순환과 열염순환이 그것입니다. 해양 관련 포스팅에서 계~~속 언급하고 있는 내용인데, 바닷물이 흐를려면 압력 차이가 발생해야 합니다. 풍성순환은 바람이 표층 해수의 경사를 만들고 이로이해 압력경도가 발생, 바닷물이 흐르게 되는 것을 말합니다. 바람의 영향을 크게 받는 표층 해수가 이렇게 흐럽니다. 열염순환은 풍성순환과 압력경도가 발생하는 원인이 다릅니다. 정 역학적 방정식을 다시 보면

입니다. ρ는 밀도, g는 중력가속도, z는 깊이인데, 같은 깊이 z에서 중력가속돠 당연히 일정하다면, 압력차이는 오로지 ρ에 의해 발생합니다. 사실 ρ도 해수에서 크게 변하지 않으나(어느정도 차이냐면 단위가 g/cm^3에서 1.027~1.029 이정도 입니다) 이 약간의 차이에도 해수는 흐를 수 있다고 합니다. 그럼 밀도차이가 발생하는 것은 무엇일까? 지난 해양 포스팅에서 모조리 설명하긴 했지만, 해수의 밀도는 수온, 염분, 수압에 의해 변화합니다. 같은 깊이라면 수압은 차이가 없을 테니 수온과, 염분이 해수 밀도에 영향을 주게 된다는 소리입니다. 이에 압력차이가 열(온도), 염(염분)에 의해 발생한다 하여 열염순환이라고 합니다. 어찌되었든 작은 밀도차에 의한 압력차는 사실 그리 크지 않을 것입니다. 압력차가 작으면 당연히 흐름의 속도도 느립니다. 이로인해 열염순환에 의해 발생하는 해수의 흐름도 굉장히 느립니다.

 

  어떤 바닷물이 열염순환에 의해 움직일까??? 바로 깊은 바닷물입니다. 깊은 바닷물은 대기의 영향을 거의 받지 않습니다. 때문에 압력경도가 발생할 껀덕지는 미세한 수온과 염분의 변화밖에 없습니다. 바닷물마다 이 수온과 염분이 조금씩 다르고, 이로인해 압력차이가 발생하여 해수가 흐르게 되는 것입니다.

  2. 심층순환의 시작

  심층순환은 해수의 침강에서 시작됩니다. 해수가 아래로 가라앉으려면 밀도가 커져야 하는데, 주로 해수의 침강이 발생하는 지역은 북극의 래브라도해(Labrador Sea), 노르웨이해(Greenland-Norwegian Sea), 남극의 웨델해(Weddell Sea), 로스 해(Ross Sea)에서 발생합니다. 해당 지역은 아래 그림을 참고하세요.

침강이 발생하는 지역을 보면 북극과 남극해에 국한됩니다. 여기서 침강이 발생하는 이유는 뭘까? 기본적으로 물은 온도가 낮아지고 얼면 밀도가 원래보다 감소하여 오히려 물 위로 떠야하는데, 소금이 녹아있는 바다는 상황이 좀 다릅니다. 온도가 감소할 수록 오히려 밀도가 증가합니다. 이에 대한 자세한 내용은 다음 포스팅에서 다루겠습니다. 어쨌든 극지방의 기온 감소는 해수의 수온 감소를 야기하고, 이로인해 해수의 밀도가 증가합니다. 또한 해수에 결빙이 발생하면서 물이 얼 때 염분을 머금은채로 어는게 아니라 물 끼리만 옹기종기 모여 얼기 때문에, 얼지 않은 주변의 염분이 증가, 마찬가지로 밀도가 증가하게 됩니다. 밀도가 증가하면, 침강이 발생하기 시작합니다. 이렇게 침강한 해수는 전 세계를 돌아다니며 심층수를 공급해 줍니다. 이때 해수는 표층에서 산소를 잔뜩 머금은 채로 침강하는데, 이것이 심층에서도 용존 산소가 높게 유지되는 이유가 됩니다.

 

심층 해류는 작은 압력차로인해 매우 느립니다. 전 세계를 한 바퀴 도는데 2000~4000년 정도가 걸린다 하니 정말 느리다고 볼 수 있습니다. 이렇게 심층순환이 뱅글뱅글 돌다 크게 인도양 앞바다와 북태평양의 일부 지역에서 용승을 합니다. 위 그림에는 용승이 나타나는 지역이 좀 더 자세히 나와 있네요.

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  3. 심층해류의 종류

고등학교 교육과정에서는 대서양에서 나타나는 심층순환의 횡단면을 예로, 크게 3가지를 다룹니다. 이는 깊이에 따라 구분하는데, 가장 깊은곳에서 부터 남극 저층수(Antarctic Bottom Water), 북대서양 심층수(North Atlantic Deep Water), 남극 중층수(Antarctic Intermediate Water)로 구분합니다.

3개의 심층수가 밀도가 서로 다르니 단순화하여 저렇게 나타난다 볼 수 있습니다. 당연히 가장 밀도가 큰 놈은 남극 저층수, 그 다음은 북대서양 심층수, 가장 밀도가 작은 아이가 남극 중층수입니다. 아래의 수온-염분도(T-S Diagram)는 모의고사에 나왔던 그림이고, 교과서나 참고서에 자주 등장합니다. 등밀도선을 자세히 보면, 남극 저층수가 밀도가 가장 크고, 남극 중층수고 가장 작음을 알 수 있습니다.

이와 유사한 다른 수온-염분도도 있습니다. 아래 그림에 첨부하여 두겠으니 참고하세요. 참고로 여기서 AAIW는 남국 중층수, NADW는 북대서양 심층수, AABW 남극 저층수입니다.

  4. 심층순환의 원리를 알아보는 간단한 실험

얼음과 물, 소금, 잉크 등만 있으면 삽시간에 확인할 수 있습니다. 상온의 물보다 얼음물이 밀도가 더 크고, 맹물보다 소금물이 밀도가 더 큽니다. 그러니 수조에다가 얼음물이나 소금물을 집어 넣으면 가라앉는 것을 볼 수 있는데, 이것이 해수의 침강 및 심층순환과 원리가 비슷하다고 볼 수 있습니다. 아래 링크를 참고하세요

간단한 실험으로 알아보는 해수 심층 순환의 원리