지형류·경도류·에크만 수송

바다의 표면은 평평하지 않다. 쿠로시오처럼 강한 해류를 사이에 두고 해수면은 100 km 남짓한 거리에서 1 m 가까이 차이 난다. 인공위성은 레이더로 해수면의 높이를 몇 cm 정확도로 잰다. 그런데 바닷물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르지 않고, 높이 차이를 옆에 둔 채 나란히 흐른다. 왜 그럴까? 그리고 그 높이 차이로 해류의 빠르기를 어떻게 계산할까?

해수면 경사 (100 km에 cm)

위도 (°)

2.8.1지형류

해수면이 기울어 있으면 같은 깊이라도 높은 쪽 아래의 물기둥이 더 높아 수압이 크다. 그래서 바닷물에는 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 미는 압력 경도력이 작용한다. 물이 움직이기 시작하면 전향력이 북반구에서 오른쪽으로 휘게 하고, 대기의 지균풍과 같은 방식으로 압력 경도력과 전향력이 균형을 이룰 때 물은 해수면의 등고선을 따라 나란히 흐른다. 이 흐름을 지형류라 한다. 북반구에서는 해수면이 높은 쪽을 오른쪽에 두고 흐른다.

그림 1에서 두 값을 바꾸어 보자. 위도 35°에서 100 km에 1 m 기울어진 해수면은 \(v = \dfrac{9.8}{8.4 \times 10^{-5}} \times 10^{-5} \approx 1.2\) m/s의 지형류를 만든다. 쿠로시오나 멕시코 만류의 표층 속력과 비슷하다. 같은 경사가 위도 10°에 있다면 전향력이 약해 3 m/s를 넘는다. 적도 바로 위에서는 전향력이 0이라 지형류의 균형이 성립하지 않는다. 그래서 인공위성이 잰 해수면 높이 지도는 곧 지형류의 지도가 된다.¹

2.8.2바람이 해수면을 기울인다

해수면의 경사는 바람이 만든다. 바람은 표층의 물을 끌지만, 전향력 때문에 바닷물 전체는 북반구에서 바람 방향의 오른쪽 90°로 움직인다. 이를 에크만 수송이라 한다. 북태평양의 아열대에서는 북쪽의 편서풍이 물을 남쪽으로, 남쪽의 무역풍이 물을 북쪽으로 보내 바다 한가운데에 물이 모인다. 그래서 아열대 환류의 가운데는 해수면이 1 m 가까이 볼록하게 높아지고, 그 둘레를 지형류가 시계 방향으로 돈다. 해류가 크게 휘어 도는 곳에서는 원심력까지 균형에 끼어든 경도류가 된다.

2.8.3예제 풀이

해수면 경사는 \(0.60 \div 1.5 \times 10^5 = 4.0 \times 10^{-6}\)이므로 \(v = \dfrac{9.8}{7.3 \times 10^{-5}} \times 4.0 \times 10^{-6} \approx 0.54\) m/s이다.

해수면은 서쪽이 높다. 북반구에서 지형류는 높은 쪽을 오른쪽에 두고 흐르므로, 서쪽을 오른쪽에 두려면 남쪽을 향해 흘러야 한다. 따라서 이 해류는 약 0.5 m/s로 남쪽으로 흐른다. 즉 위성이 잰 높이의 지도에 등고선을 그리기만 해도, 해류의 방향과 빠르기를 계산할 수 있다. 그래서 오늘날 전 세계 바다의 표층 해류는 해수면 높이 위성으로 날마다 지도로 그려진다.

아래 탐구 카드에서 지형류, 경도류, 에크만 수송에서 맞서는 힘을 찾아 해류의 속력과 방향을 계산해 보자.

1. 1992년 발사된 토펙스/포세이돈 위성 이후 해수면 높이 위성은 약 1300 km 상공에서 바다까지의 거리를 레이더로 재어, 해수면의 높이를 3 cm 안팎의 정확도로 알아낸다.