대기 대순환 시뮬레이션

30년 동안의 위도별 강수량을 평균해 보면 적도 부근에서 가장 많고, 위도 30° 부근에서 가장 적으며, 위도 50°~60°에서 다시 많아진다. 사하라, 아라비아, 오스트레일리아의 큰 사막이 모두 위도 30° 부근에 있다. 적도에서 데워져 올라간 공기가 극까지 곧장 가서 내려온다면 이런 줄무늬가 생기지 않았을 것이다. 무엇이 적도의 공기를 위도 30°에서 멈추게 할까?

2.6.1자전하지 않는 지구라면

적도는 1년 동안 들어오는 태양 에너지가 나가는 에너지보다 많고 극은 그 반대여서, 대기와 해양은 남는 열을 극 쪽으로 옮긴다. 지구가 자전하지 않는다면 적도에서 올라간 공기가 상층을 따라 극까지 가서 내려오고, 지표를 따라 적도로 돌아오는 커다란 순환 하나가 생길 것이다. 그런데 지구는 자전하므로, 극 쪽으로 가는 공기에 전향력이 작용해 동쪽으로 휜다. 위도 30° 부근에 이르면 공기의 흐름이 거의 동쪽을 향해, 극 쪽으로 더 나아가지 못하고 쌓여 내려온다.

그래서 적도와 위도 30° 사이에는 해들리 순환이, 위도 60°와 극 사이에는 차가운 공기가 내려앉아 퍼지는 극순환이 생긴다. 그 사이의 위도 30°~60°에서는 상층의 편서풍이 물결치며 고기압과 저기압을 만들어 열을 옮기고, 이것을 평균하면 페렐 순환이 나타난다. 지상에서 공기가 적도 쪽으로 돌아오는 바람은 전향력으로 서쪽으로 휘어 무역풍이 되고, 위도 30°~60°의 지상 바람은 동쪽으로 휘어 편서풍이 된다.¹

2.6.2돌아가는 물 접시 실험

대기 대순환은 둥근 접시 실험으로 재현할 수 있다. 접시 가운데에 얼음 컵을 두어 극처럼 차게 하고 가장자리를 적도처럼 데운 뒤 물에 색소를 떨어뜨린다. 접시를 돌리지 않거나 천천히 돌리면 가장자리에서 올라간 물이 위쪽을 따라 가운데로 가서 가라앉는 순환 하나가 생긴다. 반면 접시를 빠르게 돌리면 이 순환이 끊기고, 색소가 몇 개의 물결을 이루며 소용돌이친다. 이 물결이 중위도 상층의 편서풍 파동과 같은 역할을 하여, 해들리 순환이 닿지 못하는 곳의 열을 옮긴다.

2.6.3예제 풀이

위도 15°에서는 \(u = 465 \times \sin^2 15°/\cos 15° = 465 \times 0.067/0.966 \approx 32\) m/s이다. 위도 30°에서는 \(u = 465 \times 0.25/0.866 \approx 134\) m/s로, 15°의 네 배가 넘는다. 위도가 조금만 높아져도 풍속이 급격히 커지므로, 공기는 극 쪽으로 가기보다 동쪽으로 돌게 되어 아열대에서 순환이 닫힌다.

실제 제트 기류는 약 40 m/s로 이 값보다 훨씬 약하다. 상층의 소용돌이와 물결이 공기의 각운동량을 다른 위도로 나르고 지표 마찰이 줄이기 때문이다. 그래서 위도 30° 부근에서 하강한 공기는 건조해 사막을 만들고, 그 아래의 지상 바람이 적도로 돌아가며 무역풍이 된다. 즉 지구의 자전 때문에 열을 나르는 순환이 세 칸으로 나뉘고, 그 경계에 맞추어 비가 많은 띠와 사막의 띠가 번갈아 놓인다.

아래 탐구 카드에서 30년 평균 관측 자료로 위도별 기압과 강수를 그려 보고, 물 접시 실험의 회전 속도를 바꾸어 순환이 어떻게 달라지는지 확인해 보자.

1. 1735년 영국의 해들리는 무역풍이 동쪽에서 불어오는 까닭을 지구 자전으로 처음 설명했다. 1856년 미국의 페렐은 중위도의 순환을 더해 세 칸 순환 모형을 세웠다.