해수의 용승과 침강(태풍에 의한 표층 해수 높이 변화와 함께)

지난 포스팅에서 전향력과 에크만 수송에 대한 내용을 논하였다.

 

1. 전향력

전향력 최대한 쉽게 이해하기

2. 에크만 수송

해류의 흐름 - 지형류 - 에크만 수송

전향력은 지구의 자전에 의해 나타나는 힘이고, 에크만 수송은 전향력에 의해 나타나는 특이한 해수의 운동 방향이다. 그리고 에크만 수송에 의해 여러가지 해수의 흐름이 나타나는데 그 중 오늘 다룰 내용은 용승과 침강이다.

  1. 용승

용승은 깊은곳의 바닷물이 표층으로 올라오는 현상이다. 원인은 몇 가지가 있을 수 있는데, 기본적으로 어떤 원인에 의해 표층 해수가 다른 곳으로 빠져 나가 이를 매꾸기 위해 나타나는 흐름이다. 표층 해수가 다른 곳으로 빠져나가는 이유는 해류가 원인이 될 수도 있는데, 여기서는 북반구를 기준으로 하여 바람에 의핸 에크만 수송을 이야기 해 볼 것이다.

 

아래 그림은 에크만 수송에 의한 용승을 잘 표현하고 있다. 모니터 안쪽으로 들어가는 방향을 북쪽이라고 가정하면, 바람이 연안을 따라 남쪽에서 북쪽으로, 다시말해 남풍이 불고 있다. 그럼 에크만 수송은 북반구를 기준으로 바람 방향의 오른쪽 직각 방향으로 작용하여, 결국 해수는 바람 방향으로 이동하는것이 아니라 먼 바다, 다시말해 동쪽으로 이동하게 된다.(남반구의 경우 에크만 수송은 바람 방향의 왼쪽 직각 방향으로 작용한다.)

 

바람에 의해 발생한 에크만 수송으로 바람의 영향을 크게 받는 표층 해수가 먼 바다로 이동하여, 이를 매꾸기 위해 깊은 바닷물이 표층으로 올라오게 된다. 깊은 바닷물은 수온이 낮다. 때문에 용승이 지속적으로 발생하면 표층의 해수온이 낮아지게 된다.

<에크만 수송에 의한 용승의 원리(출처 : NOAA>

위 그림은 영어로 되어있지만 겁먹을 플요 없다. surface wind는 해수 표면에 부는 바람이고, warmer surface water는 더 따뜻한 표층 해수의 이동 방향을, deeper, colder, nutrient rich water는 더 깊고, 차갑고 영양염류가 풍부한 심층수가 올라온다는 것으로 이해하면 된다. 실제로 해수의 영양염류는 깊은 해수에 더 많이 있어, 용승이 발생하면 표층 해수의 플랑크톤 증식과 이로인한 어류 개체수 증가를 발생시킨다. 다만, 평소 따뜻하게 유지되던 표층 해수가 용승에 의해 갑자기 수온이 차가워지면 갑작스런 수온 변화에 따뜻한 물을 좋아하던 어류나 급격한 수온 변화에 민감한 어류가 폐사하거나 다른 해역으로 도망갈 수도 있다. 아래 그림은 에크만 수송에 의한 용승을 나타내는 또 다른 그림이나 내용은 동일하니 참고. Ekman transport는 에크만 수송을 의미한다.

<에크만 수송에 의한 용승(출처 : https://slideplayer.com/slide/17528850/)>

  2. 침강

침강은 용승과 원리는 완전히 같고, 바람 방향만 반대이다. 아래 그림을 보자.

<에크만 수송에 의한 침강(출처 : https://slideplayer.com/slide/17528850/)>

위의 용승과는 반대 방향으로 바람이 불고, 이로 인해 에크만 수송은 바람 방향의 오른쪽 직각 방향인 연안 방향으로 작용한다. 결과적으로 먼 바다의 해수가 연안으로 접근하고, 해수는 자연히 깊은 바닷물로 침강하게 된다. 깊은 바닷물이 올라오는 일이 없으니 표층 해수온이 낮아질 수가 없다.

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  3. 다른 사례

용승과 침강은 이 외에도 저기압이나 고기압에서도 발생할 수 있다. 북반구를 기준으로 시계 방향으로 바람이 불면 고기압, 반시계 방향으로 바람이 불면 저기압인데, 아래 그림을 기준으로 하면 왼쪽은 저기압, 오른쪽은 고기압이 된다. 저기압에 의해 한 지역에서 지속적으로 반시계 방향으로 바람이 불면 중심의 해수가 밖으로 분산(divergence)되고, 이로 인해 표층 해수가 빠져나가 해수면이 약간 낮아지며 용승(upwelling)이 발생한다. 이 과정에서 수온약층이 시작되는 깊이는 약간 얕아진다. 고기압의 경우 해수가 중앙으로 몰리고(convergence), 이로인해 중심 해수가 높아지며 침강(downwelling)이 발생하게 된다. 이 때 수온약층이 나타나기 시작하는 깊이는 약간 깊어진다. 아래 그림이 영어로 되 있어 위에 영어도 함께 썼으니 참고 바란다. 참고로 thermocline은 수온약층이다.

< 저기압이나 고기압에서 나타나는 용승과 침강(출처 : https://slideplayer.com/slide/14660031/)>

적도에서도 용승은 발생할 수 있다. 적도를 기준으로 북쪽과 남쪽 모두 무역풍이 분다.(참고로 이 무역풍은 모두 남반구 헤들리 순환에 의한 무역풍이니 주의하자. 북반구 해들리 순환과 남반구 해들리 순환이 만나는 곳은 적도보다 약간 북쪽이다.) 결국 무역풍에 의해 북쪽에서는 에크만 수송이 오른쪽 직각 방향으로, 남쪽에서는 왼쪽 직각방향으로 작용하여 해수가 분산된다. 아래 그림을 참고하면 쉽게 이해할 수 있다.

 

  4. 태풍이 오면 해수면이 높아지는데?

  여기서 이제 태풍이 올 때 해수면이 높아지는 사례와 충돌하게 된다. 용승이나 침강은 어느 한 지역에서 비교적 긴 시간동안 지속적으로 바람이 일정하게 불어야 발생한다. 사실 용승이나 침강 자체가 굉장히 느린 속도로 발생하며, 해수는 기본적으로 표층이 따뜻하고 심층이 차가워 위 아래의 연직 혼합이 잘 일어나지 않은 굉장히 안정적인 층이다. 이런 안정적인 해수에 연직 방향의 흐름이 발생하려면 정말 지속적으로 같은 방향의 바람이 긴 시간 불어야 한다. 다시 말해 엄청 즉각적인 반응은 아니라는 소리이다. 

 

  그런데 태풍에 의한 기압 감소는 굉장히 크며, 태풍은 어느 한 지역에 오래 머무르는게 아니라 비교적 빠르게 지나간다.

따라서 태풍이 오면, 우선 해수는 즉각적으로 압력 감소라는 변화를 겪게되고, 이로인해 표층해수는 위로 부풀어 오른다. 마치 풍선이 높은곳에 가면 커지는 것처럼. 실제로 기압 1hPa 감소에 표층 해수는 약 1cm가 부풀어 오르는 것으로 알려져 있다. 그런데, 앞서 이야기 한 것 처럼 용승이 발생하려면 어느 한 지역에서 최소 하루 정도는 지속적으로 바람이 불어야 한다. 때문에 한 지역에 오래 머무르지 않고 금새 다른 곳으로 이동하는 태풍의 상황에서는 용승이 발생하지 않으며, 단지 해수 표면이 부풀어 오르기만 한다.

 

또한 태풍에 의한 표층 해수면의 팽창으로 인해 폭풍 해일이 발생하는 사례도 빈번하게 있으니 참고...

 

라고 썼는데, 말도 안되는 힌남노라는 태풍이 남쪽으로 이동하더니, 심지어 한 지역에 하루정도 머물렀습니다.

**힌남노에 관한 포스팅

태풍 힌남노의 특이한 이동 경로에 따른 해수의 용승과 세력변화

이로인해 용승이 발생하였고, 때문에 표층해수온이 낮아졌으며, 심지어 태풍의 세력이 약해지기 까지 했습니다. 물론 용승대를 지나간 뒤 다시 강해졌습니다. 참고하세요

  5. 교과서와 함께 비교하자

2015 개정 지구과학1 교육과정에서 용승과 침강을 다루고 있는데, 그 원리는 빠져있다. 그래서 이를 설명할 때 참 애를 먹는다. 하지만 겁먹을 필요가 없다. 비록 교과서나 참고서에 에크만 수송 방향이 표시되어있지 않더라도 북반구를 기준으로 에크만 수송에 의해 바람 방향의 오른쪽 직각 방향으로 표층 해수가 움직인다는 것만 생각하면 어렵지 않게 해석할 수 있으니 참고 바란다.

<용승과 침강(출처 : 비상 교과서)>

 

  중요한 것은 침강보다 용승이다. 왜냐하면 표층 해수의 수온이 급격히 변화하는데, 특히 낮아지기 때문이다. 그런데 앞서 이야기 한 것 처럼 용승이나 침강은 굉장히 느린 흐름이고, 해저에서 발생하는 것이기 때문에 그 흐름 자체를 관측하여 용승이 발생하는지 침강이 발생하는지를 찾아내기 보다는 표층 해수온의 변화를 가지고 용승인지 침강인지를 알아낼 뿐이다. 실제로 우리나라에서도 용승이 발생하는지, 엘니뇨나 라니냐가 나타나는지는 모두 표층 해수면의 수온 변화를 통해 찾아내는 것이다.

 

이와 관련하여 동해는 한 여름철에 연안 해수온이 갑자기 낮아지는 현상, 냉수대라는 것이 나타난다. 이 역시 용승과 밀접한 관련이 있다. 아래 포스팅에 들어가보면 냉수대에 대한 이야기를 볼 수 있다.

동해의 냉수대 - 여름에 바닷물이 차가워지는 신기한 현상