나뭇잎 교과서

에크만 수송과 지형류

바람은 북쪽으로 부는데 바닷물은 오른쪽으로 흘러갑니다. 회전하는 지구 위에서 움직이는 물은 전향력을 받기 때문입니다. 이렇게 쌓인 물이 만든 경사가 다시 거대한 해류를 움직입니다.

먼저 알면 좋은 것 표층 해류와 대기 대순환용승과 침강전향력(코리올리 효과)
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에크만 수송과 지형류

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19세기 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?

그림 1. 북반구 바다에 바람이 불 때 표층의 물 전체가 옮겨 가는 방향(에크만 수송)은 바람의 오른쪽 90°이다. 수송량은 바람 응력에 비례하고 전향력의 크기에 반비례한다.
먼저 알아야 할 것표층 해류와 대기 대순환, 용승과 침강(지구과학), 전향력(코리올리 효과), 압력과 수압.

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.

정리 2.1.1 에크만 수송

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

해수면이 높은 아열대 해역 가운데 무역풍 → 에크만 수송 ↑ 편서풍 → 에크만 수송 ↓ 수압 차 ← 가운데에서 바깥으로전향력과 평형 → 지형류
그림 2. 두 바람의 에크만 수송이 아열대 해역 가운데에 물을 쌓고, 수압 차와 전향력이 평형을 이루어 아열대 순환을 만든다.

2.1.3예제 풀이

예제 2.1.2

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.

  1. 북태평양 아열대 순환의 서쪽 경계에서는 지구가 둥글어 위도에 따라 전향력이 달라지는 효과 때문에 흐름이 좁고 빨라진다. 우리나라 근처를 지나는 쿠로시오 해류가 그 예이다.
마무리

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.

탐구 1

바람이 불면 왜 해안에 찬물이 올라올까?

에크만 수송 · 연안 용승과 침강
표층 해수의 이동
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먼바다 쪽 수송 (해안 1 km당)
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연안에서는
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수송량은 에크만 수송 M = τ / (ρf)로 어림했다(바람 응력 τ = 1.2 × 0.0013 × 풍속², 위도 37°). 단면의 수온 분포는 모식이다.

  1. 질문한여름 동해안의 해수욕장에서 전날까지 따뜻하던 바닷물이 갑자기 차가워지고 안개가 끼는 날이 있는데, 남풍 계열의 바람이 며칠 분 뒤이다. 바람이 어떻게 바닷물을 차갑게 할까?
  2. 복원북반구에서 움직이는 물체는 전향력을 받아 진행 방향의 오른쪽으로 휜다. 바닷물도 마찬가지이다.
  3. 설명바람이 오래 불면 표층 해수는 층층이 오른쪽으로 조금씩 더 휘며 끌려가고, 표층 전체로 합하면 바람 방향의 오른쪽 90°(남반구는 왼쪽)로 이동한다. 이것을 에크만 수송이라고 한다.
  4. 연결그래서 표층 해수가 해안에서 먼바다로 빠져나가면 빈자리를 아래의 차가운 물이 채우고(용승), 반대로 해안 쪽으로 몰리면 표층 물이 쌓여 아래로 내려간다(침강). 용승한 물에는 영양 염류가 많아 좋은 어장이 되고, 차가운 수면 위에서 안개가 잘 생긴다.
  5. 적용바람의 방향을 한 칸씩 돌려, 동해안에서 용승이 가장 강한 바람이 어느 쪽에서 불어오는지 찾아보자. 또 ‘남반구’와 ‘바다가 서쪽’을 함께 고르면 페루 연안이 되는데, 이곳에서 용승을 만드는 바람이 무엇인지도 확인해 보자.
  6. 판단“바람이 부는 방향으로 물이 간다”는 생각은 표면의 얇은 층에서만 대략 맞고, 며칠 이상 부는 바람에서 표층 전체의 물은 바람과 직각으로 움직인다. 또 적도에서는 전향력이 0이 되므로 이 설명을 그대로 쓸 수 없고, 적도 바로 양옆에서 물이 서로 반대쪽으로 갈라지며 적도 용승이 생긴다.

확인조건이 달라지면

남반구 페루 연안(바다가 서쪽)에 남풍이 계속 분다. 연안에서는 어떤 일이 일어날까?

탐구 2

바람과 직각으로 흐른 물이 어떻게 거대한 해류가 될까?

에크만 수송 · 해수면 경사와 지형류
마찰층(에크만층) 두께
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해안 1 km당 에크만 수송
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해수면이 1000 km에 1 m 기울 때 지형류
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에크만층 두께는 경험식 D ≈ 4.3 W / √sin(위도) (m), 수송량은 바람의 응력 τ와 전향력 계수 f로 M = τ / (ρf), 지형류는 v = (g/f) × (해수면 경사)로 계산한 대략값이다. 적도 근처(f → 0)에서는 이 식들이 성립하지 않는다.

  1. 질문1890년대 난센은 북극해에서 배와 빙산이 바람 방향이 아니라 바람의 오른쪽 20°~40°로 떠내려가는 것을 보았다. 바람이 미는 물이 왜 옆으로 갈까?
  2. 복원자전하는 지구에서 움직이는 물체는 북반구에서 진행 방향의 오른쪽, 남반구에서 왼쪽으로 휘는 전향력을 받는다. 그리고 연안 용승도 바람과 직각인 물의 이동으로 설명했다(지구과학).
  3. 설명바람은 표면의 물을 끌고, 표면의 물은 마찰로 그 아래 물을 끈다. 층마다 전향력으로 조금씩 더 오른쪽으로 휘고 느려져서, 깊이에 따라 흐름이 나선 모양으로 돈다(에크만 나선). 그래서 마찰층 전체의 물을 더하면 순 이동은 북반구에서 바람의 오른쪽 90° 방향이며, 이를 에크만 수송이라 한다.
  4. 연결북태평양에서 무역풍(동풍)은 물을 북쪽으로, 편서풍은 물을 남쪽으로 보내므로, 그 사이 위도 30° 부근에 물이 쌓여 해수면이 가운데가 1 m쯤 높은 완만한 언덕이 된다. 물은 언덕에서 바깥으로 밀리는 수압 경도력을 받지만, 흐르기 시작하면 전향력이 오른쪽으로 휘게 해서 결국 두 힘이 평형을 이루고 등수위선과 나란히 흐른다. 이것이 지형류이며, 아열대 순환이 시계 방향으로 도는 까닭이다.
  5. 적용위도를 낮추고 높이며 에크만 수송량과 지형류의 속도가 어떻게 달라지는지 보고, 같은 해수면 경사라도 저위도에서 지형류가 빠른 까닭을 생각해 보자. 그리고 남반구로 바꾸면 언덕 둘레의 흐름이 어느 방향이 되는지 확인해 보자.
  6. 판단‘해류는 바람이 부는 방향으로 흐른다’는 생각은 오해이다. 바람은 에크만 수송으로 물을 쌓고, 쌓인 물의 경사가 지형류를 만들기 때문이다. 또 이론의 에크만 나선(표면 45°)은 이상적인 경우이고, 실제 바다에서는 성층과 난류 때문에 각도와 두께가 다르게 관측된다.

확인조건이 달라지면

남반구 아열대 해역에서 해수면 언덕이 생겼을 때, 지형류는 언덕 둘레를 어느 방향으로 돌까?

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