8.1. Non-Rotating Earth Circulation System
지구 순환은 어떻게 공기와 폭풍(storm) 시스템이 지구 표면 위를 이동하는지 설명해줍니다. 만약 지구가 회전하지 않고, 자전축이 태양에 대해 기울어지지도 않고, 물도 없다면, 지구의 순환은 단순해지고 날씨의 변화도 지루해질 것입니다.
위에서 말한 것과 같은 요소들이 없다면, 태양 바로 아래의 땅과 대기는 지구 상의 다른 어떤 곳보다 더 많은 태양열을 받게 될 것입니다. 그 결과 적도는 뜨거운 공기가 대기 상층부로 상승하면서 매우 뜨거워질 것입니다.
[Figure 8-1]처럼 그 뜨거운 공기는 극지방으로 이동하고, 그곳에서 매우 차가워져 가라앉아 적도로 다시 돌아올 것입니다. 고기압의 한 넓은 지역은 각각의 극지방에 있을 것이고, 적도 주위에 큰 저기압 띠(band)가 있을 것입니다.
8.2. Rotating Earth Circulation System
그러나, 지구가 자전하고, 자전축이 기울고, 남반구보다 북반구에 더 많은 땅 덩어리가 있기 때문에, 실제 지구 순환의 패턴은 훨씬 더 복잡합니다.
극지방과 적도 사이에 하나의 큰 순환 대신에, [Figure 8-2]와 같이 세 개의 순환이 존재합니다.
- 해들리 세포(Hadley cell) - 가열과 함께 상층부 대기에서 극지방으로의 이동과 함께 수직으로 상승하는 저위도 기류의 적도 방향으로의 이동을 말합니다. 다시 말하자면 적도에서 가열된 공기가 상승하여 고위도로 이동하다가 중위도 지역에서 냉각되어 하강함으로써 형성되는 순환으로, 위도 0°~30° 지역에서 열의 직접 순환으로 나타나는 순환 세포입니다. 이것은 열대 및 아열대 기후를 지배하는 대류 세포를 형성합니다.
- 페렐 세포(Ferrel cell) - 19세기에 윌리엄 페럴(William Ferrel)이 이름 붙인 기후를 위한 중위도 대기 순환 세포를 뜻합니다. 자세히 요약하자면 극지방에서는 차가운 공기가 하강해서 지표면을 따라 적도로 향하게 되고 이 공기가 30° 위도 부근에서 북상한 공기와 60° 위 부근에서 만나 다시 상승하게 됩니다. 이때 상승한 공기는 상공에서 일부는 적도 쪽으로, 나머지는 극지방 쪽으로 향합니다. 이처럼 30°∼60° 위도에 하나의 세포가 형성되는 데 이를 페렐 세포라고 합니다. 또한 이 세포에서, 공기는 표면 근처에서 극지방과 동쪽을 향해 흐르고, 높은 고도에서는 적도 방향과 서쪽을 향해 흐릅니다.
- 극 세포(Polar cell) - 극지방을 향해 공기는 상승하고 갈라지고 이동합니다. 일단 극지방에서는 공기가 가라앉고 극 고기압(극 고압부)을 형성합니다. 극지방에서의 지상풍은 동쪽을 향합니다(극동풍 혹은 극 편동풍). 정리하자면 극지방에서는 차가운 공기가 하강해서 지표면을 따라 적도로 향하게 되고, 이 공기가 30° 위도 부근에서 북상한 공기와 60°위도 부근에서 만나 다시 상승하게 됩니다. 이때 상승한 공기는 상공에서 일부는 적도 쪽으로, 나머지는 극지방 쪽으로 향하며 이때, 위도 60° ∼ 90°에 생기는 세포를 극 순환이라고 합니다. 추가적으로 한대 전선대에서 상승한 공기 중 대기 상층에서 극지방 쪽으로 발산한 공기는 극지방에서 냉각되어 하강하다가 극 고압부를 형성합니다. 극 고압부의 공기는 지표를 따라 한대 전선대 쪽으로 다시 이동하는데, 전향력의 영향으로 극동풍이 되어 돌아오게 됩니다.
이 순환 세포들 사이에서 지표면에 고기압과 저기압의 띠(band)가 있습니다. 고기압의 띠는 약 30˚ N/S 위도에 위치하며 각 극지방에서도 위치합니다. 저기압의 띠는 적도와 50~60˚ N/S 위도에서 찾아볼 수 있습니다.
보통, 맑고 건조한/더운 날씨는 고기압과 관련이 있고, 비와 폭풍우의 날씨는 저기압과 관련이 있습니다. 이러한 순환의 결과는 세계적으로 눈에 띄게 발생합니다. 위도 50-60° N/S 사이의 지역과 비교하여 전 세계 30° N/S 위도를 따라 위치한 사막의 수를 고려해봅시다. 높은 위도, 특히 대륙의 서쪽 해안 근처는, 이러한 위도들에서 지구 주위를 움직이는 더 많은 폭풍(storm) 때문에 더 많은 강수량을 가지는 경향이 있습니다.
8.3. Jet Streams
8.3.1. Introduction
제트기류는 대기 상층부(대류권의 상층~성층권의 하층)에서 상대적으로 좁은 범위(띠, band)의 강한 바람입니다. 제트기류에서 바람은 서쪽에서 동쪽으로 불지만, 제트기류 속 흐름은 종종 남쪽과 북쪽으로 굽이쳐 흐르기도 합니다. 제트기류는 뜨거운 공기와 차가운 공기의 경계에서 주로 발생합니다. 이러한 뜨거운 공기와 차가운 공기의 경계는 겨울에 가장 뚜렷하기 때문에 제트기류는 겨울에 북반구와 남반구 모두에서 강하게 나타납니다.
8.3.2. Direction of Wind Flow
'왜 제트기류의 바람은 서쪽에서 동쪽으로 불까?'라는 의문이 드실 수 있습니다. 위 [8.1. Non-Rotating Earth Circulation System]에서 언급했듯이 만약 지구가 자전하지 않는다면, 따뜻한 공기는 적도에서 상승해 양쪽 극지방으로 바로 이동했을 것입니다. 하지만 지구의 자전은 순환 시스템을 세 개의 세포로 나눌 수 있습니다. 그와 함께 마찬가지로, 지구의 자전은 제트 기류를 만드는데 원인이 됩니다.
공기의 운동은 직접적으로 북쪽과 남쪽을 향해 움직이는 것이 아니라 오히려 공기가 적도로부터 멀어질 때 공기의 운동량에 의해 영향을 받습니다. 그 이유는 운동량과 지구 위 또는 지구 위에서의 위치가 지구의 축에 대해 상대적으로 얼마나 빠르게 움직이는지에 대 속도와 관련이 있습니다.
지구의 축에 상대적인 물체의 속도는 위치에 따라 다릅니다. 예를 들어 적도에 서 있는 어떤 사람은 위도 45° 선에 서 있는 사람보다 훨씬 더 빠르게 움직입니다. [Figure 8-3]에서, 적도 위치에 있는 사람은 나머지 다른 두 사람보다 더 빨리 노란색 선(경도)에 도착하게 될 것입니다. 극지방 위에 서 있는 사람은 전혀 움직이지 않습니다(극지방에 서 있는 사람이 천천히 회전하고 있다는 것을 제외하고). 자전 속도는 북극이나 남극에서보다 적도에서 사람의 무게가 1파운드를 덜 나가게 할 정도로 충분히 큽니다.
공기가 지구 주위를 이동할(돌) 때 갖는 운동량은 보존됩니다. 즉, 적도로부터 공기가 양 극지방들 중 하나를 향해 움직이기 시작할 때, 동쪽을 향한 움직임을 일정하게 유지하게 해 줍니다. 그러나, 공기 아래의 지구는(지표면은) 공기가 극지방으로 이동함에 따라 더 느리게 움직입니다. 그 결과 공기는 적도에서 멀어질수록 점점 더 빠르게 동쪽 방향으로 움직인다는 것입니다(지구 표면에 비해 상대적으로).
8.3.3. Location
게다가, 앞서 언급한 3개의 순환 세포와 함께, 30˚ N/S와 50˚ -60˚ N/S 주변 지역은 온도 변화가 가장 큰 영역입니다. 두 지역 사이의 온도 차이가 커질수록 바람의 세기도 증가합니다. 따라서 30 º N/S와 50 º -60 º N/S 주변 지역은 상층 대기에서 바람이 가장 강하게 부는 지역이기도 합니다.
50˚ -60˚ N/S 영역은 30˚ N 부근에 위치한 아열대 제트(subtropical jet)와 함께 극 제트(polar jet)가 위치한 곳입니다. 제트기류의 높이는 4~8마일로 다양하며 시속 275마일 (275 mph)(239 kts/442km/h) 이상의 속도에 도달할 수 있습니다(제트 기류는 지상 9,000~10,000 m 높이에서 불고 풍속은 보통 100~250㎞/h 정도 되지만 최대 500㎞/h에 이르기도 합니다).
제트 기류의 실제 모양은 고기압 및 저기압의 위치, 따뜻한 공기와 차가운 공기, 계절적 변화와 같은 많은 변수 간의 복잡한 상호 작용으로 인해 발생합니다. 제트기류는 전 세계를 굽이쳐 흐르며, 고도/위도에 따라 하강하기도 하고 상승하기도 하며, 때때로 갈라지기도 하고 소용돌이(회오리, eddy)를 형성하며, 심지어 완전히 사라진 후 다른 곳에서 나타나기도 합니다.
또한 제트기류는 태양을 따르는데, 봄에 태양의 고도가 매일 증가함에 따라 제트기류의 평균 위도가 극지방으로 이동합니다(북반구의 여름까지는 일반적으로 미국 캐나다 국경 근처에서 발견됩니다). 가을이 다가오고 태양의 고도가 감소함에 따라 제트기류의 평균 위도는 적도 쪽으로 이동합니다(미국 남쪽으로 이동하면서 미국에 더 차가운 공기를 가져오는데 영향을 줍니다).
또한, 제트기류는 종종 가장 강한 바람의 위치를 나타내는 기상도의 선으로 표시됩니다. 텔레비전 기상학자들에 의해 보입니다(설명됩니다). 그러나 제트기류는 보통 훨씬 더 폭이 넓고, 그다지 뚜렷하지 않지만, 실제로는 가장 빠른 속도의 중심을 향해 바람(풍속)이 증가하는 영역입니다.
제트기류를 시각화하는 한 가지 방법은 강을 생각해보는 것입니다. 강의 물살은 일반적으로 중심부에서 가장 세고, 강둑에 가까울수록 세기가 감소합니다. 따라서 제트기류는 강과 비슷해 '공기의 강'이라고 하기도 합니다.
- 극동풍(polar easterlies) : 극지방의 고기압에서 아한대의 저기압으로 부는 바람이 지구 자전에 의해서 동쪽으로 치우쳐 불게 되어, 극동풍, 극 편동풍, 한대 편동풍, 극풍이라 부르기도 합니다. 지구의 자전에 의해 생기는 코리올리 힘(전향력)에 의해 동쪽으로 치우쳐서 부는 바람이 되며, 남북 양반구 위도 60 ° 부근에서 고위도 지방으로 갈수록 뚜렷하게 나타나고 풍향이 매우 복잡합니다. 북아메리카 대륙 위도 60 ° 이북에서는 평균적으로 편동풍이 관측되나, 시베리아 북부에서는 평균적으로 편서풍이 많이 관측됩니다.
- 극 고기압(polar high) : 극지방에서는 냉각된 공기가 하강하므로 지표에서 고압대가 형성되고, 이렇게 극지방에 형성된 고압대를 극 고압부(극 고기압)라고 합니다. 이 고압대에서 저위도로 흐르는 공기는 편향하여 극동풍을 이룹니다. 한편, 한랭한 이 극동풍과 위도 30°에서 고위도로 흐르는 온난한 편서풍은 60° 부근에서 만나 한대 전선대를 형성합니다. 이 한대 전선대에서 상승한 공기의 일부는 극으로 이동하여 60°와 극 사이에서 극세포를 이루고, 일부는 저위도로 이동하여 30°와 60° 사이에서 페렐 세포를 만듭니다.
- 한대전선대(polar front) : 대기 대순환에서 극동풍과 편서풍이 만나는 경계로 대략 위도 60° 부근의 전선대를 말하며 극전선이라고도 합니다.