에크만 수송과 지형류
본문19세기 말 북극 탐험가 난센은 배를 얼음에 맡겨 표류하면서, 빙산이 바람이 부는 방향이 아니라 그 오른쪽으로 20~40° 비껴 흘러간다는 것을 알아챘다. 바람이 바다를 미는데 왜 물은 옆으로 갈까? 그리고 그렇게 옆으로 쌓인 물이 북태평양 한가운데를 수백 km씩 도는 거대한 해류를 만드는 까닭은 무엇일까?
2.1.1에크만 수송
바람이 바다 표면을 밀면 표면의 물이 움직이기 시작한다. 그런데 지구가 자전하므로 움직이는 물은 전향력을 받아 북반구에서는 오른쪽으로 휜다. 표면의 물은 바로 아래 물을 끌고, 그 아래 물은 또 그 아래를 끄는데, 깊이 내려갈수록 물이 조금씩 더 오른쪽으로 휘고 느려진다. 이렇게 깊이에 따라 나선을 이루는 흐름을 에크만 나선이라 한다.
바람의 영향을 받는 표층(수십~백여 m) 전체의 물이 옮겨 가는 방향은 북반구에서 바람의 오른쪽 90°, 남반구에서 왼쪽 90°이다. 단위 폭당 수송량은 \(M = \dfrac{\tau}{\rho f}\)이다. \(\tau\)는 바람 응력, \(\rho\)는 해수 밀도, \(f = 2\Omega\sin\varphi\)는 전향력 계수이다.
그림 1에서 풍속과 위도를 바꾸어 보자. 바람 응력은 풍속의 제곱에 비례하므로, 풍속이 두 배가 되면 수송량은 네 배가 된다. 그리고 적도에 가까울수록 전향력이 약해 같은 바람에도 수송량이 커진다.
2.1.2지형류
북태평양에서는 중위도의 편서풍과 저위도의 무역풍이 반대로 분다. 두 바람의 에크만 수송은 모두 그 사이의 아열대 바다 쪽을 향하므로, 아열대 해역 가운데에 물이 모여 해수면이 주변보다 1 m 남짓 높아진다. 그러면 높은 곳에서 낮은 곳으로 미는 수압 차의 힘이 생기고, 이 힘과 전향력이 평형을 이루어 물이 수면의 높이 차를 따라 나란히 흐른다. 이를 지형류라 한다.1
2.1.3예제 풀이
북위 40°의 해안을 따라 남쪽으로 10 m/s의 바람이 분다(해안은 동쪽에 있음). 바람 응력을 \(\tau = 1.2 \times 1.3 \times 10^{-3} \times U^2\) N/m²로 하여 에크만 수송량을 구하여라. 물은 어느 쪽으로 옮겨 가며, 해안에서는 무슨 일이 일어나는가? (\(\Omega = 7.29 \times 10^{-5}\)/s, 해수 밀도 1025 kg/m³)
\(\tau = 1.2 \times 1.3 \times 10^{-3} \times 100 \approx 0.156\) N/m², \(f = 2 \times 7.29 \times 10^{-5} \times \sin 40° \approx 9.4 \times 10^{-5}\)/s이다. 수송량은 \(M = \dfrac{0.156}{1025 \times 9.4 \times 10^{-5}} \approx 1.6\) m²/s이다. 해안 1 km마다 1초에 약 1600 m³의 물이 옮겨 간다.
남쪽으로 부는 바람의 오른쪽 90°는 서쪽이므로, 표층의 물은 해안에서 먼바다로 옮겨 간다. 그러면 빈자리를 채우려고 깊은 곳의 차갑고 영양염이 풍부한 물이 올라온다. 이것이 용승이며, 미국 캘리포니아나 페루 앞바다가 좋은 어장인 까닭이다. 즉 바람과 직각으로 옮겨 가는 물이 해안의 수온과 생태계까지 바꾼다.
아래 탐구 카드에서 바람이 불면 해안에 찬물이 올라오는 까닭과, 에크만 수송이 거대한 해류가 되는 과정을 따라가 보자.
- 북태평양 아열대 순환의 서쪽 경계에서는 지구가 둥글어 위도에 따라 전향력이 달라지는 효과 때문에 흐름이 좁고 빨라진다. 우리나라 근처를 지나는 쿠로시오 해류가 그 예이다.
바람이 부는 바다의 표층 전체는 전향력 때문에 북반구에서 바람의 오른쪽 90°로 옮겨 가며, 그 양은 \(\frac{\tau}{\rho f}\)이다. 무역풍과 편서풍의 에크만 수송이 아열대 해역 가운데에 물을 쌓으면, 수압 차와 전향력이 평형을 이룬 지형류가 생긴다. 그래서 처음 질문의 옆으로 흐른 물은 해수면의 높낮이를 만들고, 그 높낮이를 따라 흐르는 거대한 아열대 순환이 된다.