지균풍·경도풍·지상풍
본문공기는 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 밀린다. 그러니 바람은 등압선에 수직으로, 고기압에서 저기압을 향해 곧장 불어야 할 것 같다. 그런데 일기도를 보면 높은 하늘의 바람은 등압선과 나란하게 불고, 지표의 바람은 등압선을 비스듬히 가로질러 저기압으로 휘어 들어간다. 왜 바람은 기압이 낮은 쪽으로 곧장 가지 않을까?
3.5.1지균풍
기압 차이 때문에 공기가 받는 힘을 기압 경도력이라 하며, 고기압에서 저기압 쪽으로 등압선에 수직으로 작용한다. 공기가 움직이기 시작하면 지구 자전 때문에 전향력을 받아 북반구에서는 오른쪽으로 휜다. 바람이 빨라질수록 전향력도 커져, 결국 전향력이 기압 경도력과 정반대 방향으로 같은 크기가 되면 더 이상 휘지 않는다. 이때 바람은 등압선과 나란하게 분다.
마찰이 없는 높은 하늘에서 기압 경도력과 전향력이 평형을 이루어 등압선에 나란하게 부는 바람을 지균풍이라 한다. 등압선 간격 \(\Delta n\)마다 기압 차 \(\Delta P\)이면 \[V = \frac{1}{\rho f}\frac{\Delta P}{\Delta n}\] 이며, 북반구에서는 저기압을 왼쪽에 두고 분다.
그림 1에서 등압선 간격을 좁혀 보자. 간격이 절반이 되면 바람이 두 배로 강해진다. 위도를 낮추면 전향력이 약해져 같은 기압 차에도 바람이 강해진다. 적도 부근에서는 전향력이 거의 없어 지균풍이 성립하지 않는다.
3.5.2경도풍과 지상풍
등압선이 원 모양인 고기압이나 저기압 둘레에서는 바람이 원을 그리며 돌려면 구심력이 필요하다. 그래서 기압 경도력, 전향력, 원심력이 함께 균형을 이룬 경도풍이 분다. 북반구의 저기압 둘레에서는 시계 반대 방향, 고기압 둘레에서는 시계 방향으로 분다. 지표 가까이에서는 마찰이 바람을 느리게 하여 전향력이 약해지므로, 기압 경도력이 이겨 바람이 등압선을 비스듬히 가로질러 저기압 쪽으로 불어 들어간다. 이를 지상풍이라 한다.1
3.5.3예제 풀이
북위 40°의 상공에서 4 hPa 간격의 등압선이 300 km마다 그려져 있다. 공기의 밀도를 1.2 kg/m³로 하여 지균풍의 속력을 구하여라. 같은 기압 배치가 북위 20°에 있다면 바람은 몇 배가 되는가? (\(\Omega = 7.29 \times 10^{-5}\)/s)
\(f = 2 \times 7.29 \times 10^{-5} \times \sin 40° \approx 9.4 \times 10^{-5}\)/s이고, 기압 경도는 \(\dfrac{400\ \text{Pa}}{3 \times 10^5\ \text{m}}\)이다. 따라서 \(V = \dfrac{400}{1.2 \times 9.4 \times 10^{-5} \times 3 \times 10^5} \approx 11.8\) m/s이다.
북위 20°이면 \(\sin 20° \approx 0.34\)로 \(\sin 40° \approx 0.64\)의 약 절반이다. 그래서 바람은 \(\dfrac{0.64}{0.34} \approx 1.9\)배인 약 22 m/s가 된다. 즉 같은 등압선 간격이라도 저위도의 바람이 더 강하다. 그래서 일기도에서 바람의 세기를 읽을 때는 등압선 간격과 함께 위도도 고려한다.
아래 탐구 카드에서 등압선만 보고 바람을 읽는 방법과, 바람이 등압선을 따라 또는 비스듬히 부는 까닭을 직접 따져 보자.
- 지상풍이 등압선과 이루는 각은 바다 위에서는 마찰이 작아 약 10~20°, 거친 육지 위에서는 약 30~45°이다. 이 비스듬한 흐름이 저기압 중심에 공기를 모아 상승 기류를 만든다.
높은 하늘에서는 기압 경도력과 전향력이 평형을 이룬 지균풍이 등압선에 나란하게 불고, 원형 등압선에서는 원심력까지 균형을 이룬 경도풍이 분다. 지표에서는 마찰로 전향력이 약해져 지상풍이 저기압 쪽으로 비스듬히 분다. 그래서 처음 질문의 바람은 전향력 때문에 기압이 낮은 쪽으로 곧장 가지 못하고 등압선을 따라 돌며, 마찰이 있는 지표에서만 비스듬히 가로지른다.