에너지 균형을 위한 움직임, 대기대순환

지구가 받는 태양에너지는 어느 지역에서나 똑같지는 않다. 적도 근처의 저위도 지역은 태양에너지를 너무 많이 받은 상태지만, 극지방에 가까운 고위도 지역은 태양에너지가 부족한 상태이다. 만약 지구를 이대로 둔다면 지구상의 에너지 균형이 맞지 않을 것이다. 이러한 불균형 상태를 해결해주는 것이 대기와 해양의 순환이다.
크게 보았을 때 에너지가 넘치는 적도 지방의 따뜻한 공기가 상승하고, 에너지가 부족한 극지방의 찬 공기는 하강하는 대류에 의해 순환이 시작된다. 이 순환을 따라 저위도인 적도 지방의 에너지가 고위도인 극지방으로 이동하는데, 이 과정에서 에너지의 균형을 이루게 된다. 대기대순환은 에너지의 균형을 이루기 위한 움직임이다.


3개의 순환세포와 순환 원리

대기대순환은 크게 열대세포, 중위도세포, 극세포라고 명명된 3개의 순환세포로 구성된다. 해들리 순환(Hadley circulation)이라고도 불리는 열대세포는 위도 0∼30°지역에서 일어나는 순환이다.
적도 부근에서 상승한 기류가 고위도 쪽으로 이동해 북위 또는 남위 30° 지역에서 하강한다. 하강한 기류는 다시 적도로 흐르며 이 과정이 하나의 세포처럼 부드럽게 연결된다. 위도 60~90°에서 일어나는 극세포 역시 열대세포와 위도만 다를 뿐 열대세포처럼 열적 차이에 의한 대류라는 원리로 일어나는 순환이다.
위도 30~60°의 중위도 지역의 순환은 중위도세포로 불린다. 이 위도에서는 북위 또는 남위 60° 지역에서 상승한 기류가 적도 쪽으로 이동해 북위 또는 남위 30° 지역에서 하강한다. 조금 이상하지 않은가. 열대세포나 극세포였다면 저위도인 30° 지역에서 상승하고 고위도인 60° 지역에서 하강했을 것이다. 분명 열대세포와 극세포의 순환과는 조금 다른 상황이다.
이는 중위도세포의 특성 때문이다. 대기와 같은 유체에서 내부의 온도 분포가 부분적으로 다를 때, 상층의 따뜻한 곳에서 하강기류가, 하층의 찬 곳에서는 상승기류가 발생해 생긴다. 중위도세포는 열적 차이에 의한 대류로 발생하는 순환이 아니며 열대세포와 극세포 사이에서 수동적으로 유지되는 순환이다.
열대세포와 극세포처럼 따뜻한 공기의 상승과 찬 공기의 하강에 의해 생긴 순환은 직접순환이며, 중위도세포처럼 두 개의 직접순환 세포 사이에서 생긴 순환은 간접순환이다. 중위도세포는 이를 최초로 발표한 학자의 이름을 따서 페렐 순환(Ferrel cell)이라고도 한다. 페렐 순환은 직접순환하는 다른 두 세포만큼 강한 흐름을 보이지는 않는다.


바람의 순환 패턴

이러한 순환은 일정하게 존재하는 바람의 순환 패턴을 만들어낸다. 적도 부근에 형성된 적도무풍대(Equatorial calm belt, 또는 적도저압대), 남·북위 30° 즈음에 띠 모양으로 자리잡은 아열대고압대(Subtropical high-pressure zone, 혹은 중위도고압대), 60° 지역의 한대전선대(고위도저압대), 극지방의 극고압대 등이다.
북반구와 남반구 모두 0~30°에서는 북동무역풍(Northwest trades), 30~60°에서는 편서풍(Westerlies), 60~90°에서는 극동풍(Polar easterlies)이 분다. 단 남위 0~30°에서는 남동무역풍(Southeast trades)이 분다. 이처럼 일정한 지역에서 거의 일정한 방향으로 부는 바람을 항상풍 또는 탁월풍(Prevailing winds)이라고 한다. 무역풍과 편서풍, 극동풍은 직선이 아니라 비스듬히 불고 있는데 지구 자전의 영향을 받았기 때문이다.


적도저압대와 아열대고압대

앞서 언급한 대로 적도 지역의 가열된 공기는 상승해 고위도로 이동하게 된다. 다른 지역에 비해 대기의 압력이 낮아지므로 적도저압대(equatorial trough)가 되며, 기압경도력 또한 약해서 바람이 거의 불지 않는 상태인 적도무풍대가 된다. 기압경도력이란 대기 중에서 두 지점 사이의 압력이 다를 경우 고기압에서 저기압으로 작용하는 힘을 말한다. 반면 극지방은 냉각된 공기는 지표로 하강하게 되고 극고기압을 형성한다.
적도에서 상승한 공기는 위도 30° 부근에서 하강기류를 형성한다. 공기가 하강하면 밀도가 크게 돼 고기압대를 형성하게 되는데 이 고기압대가 위치한 지역을 따서 중위도고압대 또는 아열대고압대라고 부르는 것이다. 아열대고압대에서는 하강기류 때문에 연중 날씨가 좋고 습도 또한 낮다. 즉, 비가 오는 날씨가 드문 것이다. 그래서 아열대고압대가 위치한 지역을 보면 사하라 사막 등 세계적으로 유명한 사막이 많다.


한대전선대와 열대수렴대(ITCZ)



아열대고압대에서 불어나와 고위도로 이동하는 공기는 위도 30~60°에서 편서풍으로 나타난다. 편서풍은 극고기압에서 불어나오는 극동풍과 접하면서 60° 지역의 한대전선대를 형성하게 된다. 한대전선대는 따뜻한 공기와 차가운 공기가 만나는 지점이 돼 많은 강수를 동반한다.

아열대고압대에서 불어나왔지만 다시 저위도로 이동한 공기는 무역풍이 되는데 북반구에서는 북동무역풍, 남반구에서는 남동무역풍으로 불린다. 무역풍은 적도로 모이게 되는데 이 부분을 열대수렴대(InterTropical Convergence Zone, ITCZ)라고 한다. 열대수렴대는 계절에 따라 남북으로 진동하는데 열대수렴대가 위치한 지역은 공기가 모이는 곳이므로 비가 많이 내린다.