대기의 운동과 대기 대순환_대기를 움직이는 힘

1. 대기를 움직이는 힘

(1) 기압

단위 면적에 작용하는 공기으 무게를 뜻하며, 공기 기둥의 평균 밀도를 ρ, 공기 기둥의 높이를 h라고 하면 기압 P는 다음과 같다.

P = ρgh

① 기압의 단위 : 1hPa(헥토파스칼) ▶ 1hPa = 100N/m²

                      1기압 = 76 cmHg ≒ 1013 x 100N/m² = 1013hPa

 

② 기압의 변화 : 지표면에서 위로 올라갈수록 공기의 밀도가 작아지고, 공기 기둥이 짧아지므로 기압이 낮아진다.

▶ 수평 방향보다는 연직 방향의 기압 변화가 더 심하다.

 

(2) 기압 경도력

두 지점 사이의 기압 차이에 의해 생기는 힘으로, 바람을 일으키는 근원적인 힘이다.

 

① 방향 : 고기압에서 저기압 쪽으로 등압선에 직각인 방향으로 작용한다.

 

② 크기 : 기압의 크기가 각각 P, P+ΔP인 두 등압선이 ΔL 거리만큼 떨어져 있을 때, 면적 S인 A면과 B면에 작용하는 힘은 각각 (P + ΔP) · S, P · S이다.

▶기압 차에 의한 힘은 A면에서 B면 쪽으로 작용하고, 그 크기는 ΔP · S이다. 직육면체의 공기의 질량은 ρ · S · ΔL이므로 공기 1kg에 작용하는 기압 경도력은 ~ 이다.

 

(3) 전향력

지구 자전에 의해 나타나는 겉보기 힘으로, 지구 상에서 운동하는 물체에 작용한다. 

 

① 방향 : 북반구에서는 물체가 진행하는 방향의 오른쪽 직각 방향으로, 남반구에서는 물체가 진행하는 방향의 왼쪽 직각 방향으로 작용한다.

 

② 크기 : C = 2υΩsinΦ (C : 공기 1kg에 작용하는 전향력, υ : 운동 속도, Ω : 지구 자전 각속도, Φ : 위도)

▶ 정지한 물체, 그리고 적도(위도 0º)에서는 전향력이 작용하지 않는다.

 

※연직 방향의 정역학 평형

대기는 대체적으로 연직 상방으로 작용하는 기압 경도력과 연직 하방으로 작용하는 중력이 평형을 이루고 있다.

 

(4) 구심력

물체의 궤적을 직선이 아닌 곡선이 되게 만드는 힘으로, 바람에 작용하는 구심력은 기압 경도력에서의 기압 경도나 중력에서의 질량처럼 이 힘을 만드는 요소가 있는 것이 아니고, 물체에 작용하는 힘들의 합력이다. 바람에 작용하는 구심력은 기압 경도력과 전향력의 차이로 나타난다.

 

① 방향 : 회전축 방향으로 작용한다.

 

② 크기 : C = v²/r = rw₂ (C : 공기 1kg에 작용하는 구심력, v : 운동 속도, w : 각속도, r : 회전 반지름)

 

(5) 마찰력

지표면 가까이에서 운동하는 공기는 지표면이나 공기 자체의 마찰에 의해 운동을 방해하는 힘을 받는데, 이를 마찰력이라고 한다.

 

① 방향 : 풍향의 반대 방향으로 작용한다.

 

② 크기 : 지표면이 거칠수록, 지표면에 가까울수록, 풍속이 클수록 커진다.

 

 

2. 바람의 종류

(1) 상층에서 부는 바람

지표면의 마찰력이 작용하지 않는 높이 1km 이상의 상층 대기에서 부는 바람

 

① 지균풍 : 높이 1km 이상의 상층 대기에서 등압선이 직선으로 나란할 때 부는 바람이다.

• 작용하는 힘 : 기압 경도력과 전향력의 오른쪽 직각 방향으로 분다.
• 풍향 : 북반구의 경우 기압 경도력의 오른쪽 직각 방향으로 분다.
• 풍속 : 기압 경도력이 클수록 빠르고, 기압 경도력의 크기가 같은 경우에는 저위도 지방으로 갈수록 빠르다.

② 경도풍 : 높이 1km 이상의 상층 대기에서 등압선이 원형이나 곡선일 때 부는 바람이다.

• 작용하는 힘 : 기압 경도력과 전향력의 차이가 구심력으로 작용한다.
• 풍향

- 중심부가 저기압일 때 : 북반구에서는 시계 반대 방향, 남반구에서는 시계 방향으로 등압선과 나란하게 분다.

- 중심부가 고기압일 때 : 북반구에서는 시계 방향으로, 남반구에서는 시계 반대 방향으로 등압선과 나란하게 분다.

 

• 풍속 : 기압 경도력의 크기가 가은 경우, 중심부가 고기압일 때는 저기압일 때보다 전향력이 크므로 풍속이 더 빠르다.

- 중심부가 저기압일 때 : 전향력 = 기압 경도력 - 구심력

- 중심부가 고기압일 때 : 전향력 = 기압 경도력 + 구심력

 

(2) 지상에서 부는 바람

지표면의 마찰력이 작용하는 높이 1km 이하의 대기 경계층(마찰층)에서 부는 바람

 

①등압선이 직선일 때의 지상풍 : 높이 1km 이하의 지표면 부근에서 등압선이 직선일 때 부는 바람이다.

• 작용하는 힘 : 기압 경도력, 전향력, 마찰력이 작용하는데, 전향력과 마찰력의 합력이 기압 경도력과 평형을 이룬다.
• 풍향 : 마찰력 때문에 등압선과 비스듬하게 기압이 높은 쪽에서 기압이 낮은 쪽으로 분다. 지상풍은 북반구에서는 기압 경도력에 대하여 오른쪽으로 비스듬하게, 남반구에서는 기압 경도력에 대하여 왼쪽으로 비스듬하게 분다.

② 등압선이 원형일 때의 지상풍 : 마찰력이 작용하지 않는 상공에서는 바람이 등압선과 나란하게 불지만, 마찰력이 작용하는 지상에서는 바람이 등압선에 비스듬하게 분다.

 

③ 마찰층(대기 경계층)과 자유 대기

• 마찰층(대기 경계층) : 지표면 마찰의 영향이 작용하는 지상 약 1km 높이까지의 대기층으로, 바람이 등압선을 가로질러 비스듬하게 분다.
• 자유 대기 : 지표면 마찰의 영향을 받지 않는 곳으로, 지상에서 약 1km 이상의대기층이며, 바람이 등압선과 나란하게 분다.

※ 지상풍

지표면의 마찰력이 작용하는 높이 1km 이하에서 부는 바람

 

※ 지상풍의 풍향

지상풍은 지균풍과 달리 마찰력에 의해 등압선과 각도를 이루며 불게 되므로 고압부에서 저압부로 비스듬하게 분다.

 

※ 마찰층(대기 경계층)

지표면의 마찰력이 바람에 영향을 미치는 대기층이다.