대기 대순환과 제트류

적도는 햇빛을 가장 많이 받아 뜨겁고, 극은 차갑다. 그렇다면 적도에서 데워진 공기가 높이 올라가 극까지 흘러가고, 극에서 식은 공기가 지표를 따라 적도로 돌아오는 커다란 순환 고리 하나가 생길 것 같다. 18세기의 해들리도 그렇게 생각했다. 그런데 실제 지구에는 무역풍, 편서풍, 극동풍의 세 띠가 있고, 위도 30° 근처 상공에는 초속 수십 m의 제트류가 흐른다. 지구의 자전이 이 모습을 어떻게 만들까?

공기가 옮겨 간 위도 (°)

2.5.1각운동량 보존

지구 위의 공기는 바람이 없어도 지면과 함께 자전축 둘레를 돈다. 적도의 공기는 자전축에서 지구 반지름만큼 떨어져 있어 동쪽으로 초속 약 465 m로 움직인다. 이 공기가 상공에서 극 쪽으로 가면 자전축까지의 거리가 \(a\cos\varphi\)로 줄어든다. 마찰이 없다면 공기의 각운동량이 보존되므로, 피겨 선수가 팔을 오므리듯 더 빨리 돌게 된다. 그 위도의 지면보다 빨리 돌면 지면에서 보기에 서쪽에서 동쪽으로 부는 서풍이 된다.

그림 1에서 위도를 바꾸어 보자. 공기가 위도 10°에 이르면 서풍이 약 14 m/s, 20°에서 약 58 m/s, 30°에서는 약 134 m/s가 된다. 이렇게 빠른 바람은 실제로 없다. 실제 아열대 제트는 40 m/s 안팎이다. 바람이 너무 빨라지면 흐름이 불안정해져 남북으로 굽이치는 큰 소용돌이로 부서지기 때문이다. 그래서 적도에서 올라간 공기는 위도 30° 근처까지만 가서 내려오고, 이 해들리 순환의 끝에 아열대 고압대와 아열대 제트가 생긴다.¹

2.5.2세 세포와 제트류

해들리 순환의 지표 부분에서는 아열대 고압대에서 적도로 돌아오는 공기가 전향력으로 오른쪽으로 휘어 북동 무역풍이 된다. 위도 30°에서 60° 사이에서는 온대 저기압과 고기압의 소용돌이가 열과 각운동량을 극 쪽으로 나르며, 평균하면 지표에 편서풍이 분다. 이 지역의 평균 순환을 페렐 순환이라 한다. 극에서는 차가운 공기가 가라앉아 극동풍이 된다. 그리고 따뜻한 공기와 차가운 공기가 맞서는 한대 전선 위 상공에는 남북의 기온 차가 만드는 강한 서풍인 한대 전선 제트가 굽이치며 흐른다. 겨울에는 남북 기온 차가 커서 제트가 더 강하고 남쪽으로 내려온다.

2.5.3예제 풀이

\(\Omega a = 7.29 \times 10^{-5} \times 6.371 \times 10^6 \approx 465\) m/s이다. 위도 30°에서 \(\sin^2 30° \div \cos 30° = 0.25 \div 0.866 \approx 0.289\)이므로 \(u \approx 465 \times 0.289 \approx 134\) m/s이다.

단위 질량당 각운동량은 \((\Omega a\cos\varphi + u)\,a\cos\varphi\)이다. 처음 값은 \(\Omega a^2\)이고, 위도 30°에서 서풍 40 m/s이면 \((465 \times 0.866 + 40) \times 0.866 \div 465 \approx 0.82\), 곧 처음의 82%이다. 따라서 약 18%를 잃었다. 잃은 각운동량은 소용돌이와 지표의 마찰로 다른 곳에 옮겨졌다. 즉 지구의 자전과 각운동량 보존이 해들리 순환을 위도 30°에서 끊고, 제트류의 세기를 정한다.

아래 탐구 카드에서 지구의 자전과 남북의 기온 차가 대기 대순환과 제트류를 어떻게 만드는지 살펴보자.

1. 제트류는 2차 세계 대전 때 일본에서 미국으로 띄운 풍선 폭탄과, 미국 폭격기가 일본 상공에서 겪은 강한 맞바람으로 널리 알려졌다. 지금 비행기는 동쪽으로 갈 때 제트류를 타서 시간을 줄인다.