과학자 코리올리가 알려주는 대기현상은 왜 이럴까?

프랑스 수학자이자 과학자 코리올리는 대기현상에 대해 어떻게 알게 되었을까요? 지구 대기는 왜 이럴까요? 알아봅시다.

 

 

 

 

지구의 대기는 어떻게 구분될 수 있을까요?

우주 공간의 천체들을 보면 기체가 있는 것이 있고, 없는 것이 있습니다. 예를 들어 달은 기체가 아주 희박한 반면, 지구는 기체가 풍성합니다. 천체를 둘러싸고 있는 기체를 대기라고 합니다. 그러니까 달은 대기가 거의 없는 천체이고, 지구는 대기가 풍부한 천체가 되는 것입니다.

지구에 있는 대기를 지구 대기라고 하는데, 흔히 그냥 대기라고 부르곤 합니다. 지구 표면을 둘러싸고 있는  대기층을 '대기권'이라고 합니다. 대략 지상 1,000킬로미터까지의 공간을 뜻합니다.

 

대기는 여러 원소들로 이루어져 있고, 꽤 높이까지 뻗어 있습니다. 대기를 구성하는 대표적인 원소와 분포 비율은 질소가 78.1%, 산소는 20.9%, 아르곤 0.93%, 이산화탄소 0.03%이고, 그 밖에 헬륨, 크립톤, 크세논, 라돈 등의 미량으로 분포합니다. 지구 대기의 99퍼센트가 지상 30킬로미터 이내에 모여 있습니다.

 

대기권의 구조

지구는 상공으로 오를수록 기온이 변화합니다. 어느 높이까지는 기온이 떨어지고 어디까지 기온이 상승하고, 어디서부터는 기온이 다시 오르는 등 다양하게 변합니다. 그래서 지구 대기를 수직방향의 기온 분포에 따라서 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 크게 나눕니다.

우리가 일상적으로 대기층이라고 부를 때의 공간은 대류권을 의미합니다. 지구 대기의 74퍼센트가 이곳에 집중적으로 몰려 있습니다.

이곳은 1킬로미터 상승할 때마다 섭씨 6.5도씩 기온이 떨어집니다. 그렇다 보니 아래쪽 공기보다 위쪽 공기가 차갑습니다. 아래쪽 공기는 따뜻하니 가벼워져서 떠오르려 하고, 위쪽 공기는 상대적으로 무거워져서 가라앉으려 합니다. 아래쪽 공기와 위쪽 공기가 이렇게 섞이게 되니 자연스럽게 대류 현상이 일어나면서 구름이 생성되고, 비와 눈이 내리는 대기현상이 나타납니다. 이 지역에 대류권이란 이름이 붙여진 이유기도 합니다.

 

지역에 따라서 약간의 차이가 있긴 하지만, 평균적으로 지상에서 12킬로미터까지를 대류권으로 간주합니다. 극지방에선 10킬로미터, 적도 지방에선 17킬로미터까지를 대류권으로 봅니다. 대류권 바로 위가 성층권입니다. 이 공간은 50킬로미터 내외의 높이까지로, 25킬로미터 부근에 오존층이 넓게 걸쳐 있습니다. 오존층은 인체에 유해한 자외선을 다량 흡수해 줍니다.

자외선은 오존층의 위쪽부터 흡수되어서 아래로 내려올수록 적게 흡수됩니다. 이것은 오존층 위보다는 아래의 온도가 더 낮은 요인입니다.

온도가 낮으면 상대적으로 무거워져서 가라앉으려 합니다. 아래쪽 대기의 온도는 낮고, 위쪽 대기의 온도는 높은 구조로 되어 있는 성층권은 위아래의 공기가 뒤섞이는 대류 현상이 일어나지는 않습니다.

 

성층권 다음은 중간권으로, 고도 80~90여 킬로미터까지의 공간입니다. 이곳도 대류권처럼 높이 올라갈수록 기온이 낮아지는데, 기온이 떨어지는 정도가 상당히 심합니다. 대기권에서 가장 낮은 온도까지 내려갑니다. 그래서 아래 기층의 온도는 높고, 위 기층의 온도는 낮아서 대류 현상이 일어납니다. 그러나 수증기가 희박해서 비가 오거나 눈이 내리는 등의 대기현상은 발생하지 않습니다.

 

중간권 너머로는 대기권의 최상층 공간인 열권이 자리합니다. 이곳은 대략 1,000킬로미터까지의 공간으로, 성층권처럼 높이 오를수록 온도가 높아집니다. 게다가 공기도 매우 희박해서 대류 현상은 물론이고, 기상 현상도 일어나지 않습니다. 열권은 오로라가 생기는 곳이고, 기상관측 위성이나 통신위성 등의 여러 인공위성이 떠 있는 곳입니다.

 

 

오로라

오로라는 '여명을 닮은 북녘의 빛'이라는 뜻을 담고 있습니다. 태양의 신 아폴로의 여동생 오로라에서 유래한 이름입니다. 오로라는 참으로 아름다운 자연 광경입니다. 오로라는 전기를 띤 작은 입자들이 열권 언저리에 머물고 있는 지구 대기와 마찰을 하면서 형형색색의 영롱한 불꽃을 만들어 보이는 현상입니다. 

 

 

왜 한반도에서는 오로라 관찰이 어려울까요?

전기를 띤 입자가 움직이면, 자석의 성질을 갖게 됩니다. 태양에서 나온 전기를 띤 입자들이 자석처럼 행동합니다. 그러니 이 입자들은 지구자기장의 N극과 S극에 많이 몰리는 것처럼 말입니다. 지구자기장의 N극과 S극이 있는 곳이 어디일까요? 바로 북극과, 남극입니다. 태양이 방출한 전기를 띤 입자들이 극 지역에 많이 머무는 이유입니다. 태양이 방출한 전기를 띤 입자들이 극 지역에 많이 머무는 이유입니다. 그러니 그곳 근처에서 지구 대기와 태양이 방출한 입자들 사이의 마찰이 빈번히 일어납니다. 이것이 오로라가 극지방에서 자주 관찰되는 이유입니다.

 

오로라는 위도로 65도를 넘지 지방에서 주로 관찰이 가능합니다. 오로라 활동이 특히 활발한 지역은 스칸디나비아에서 그린란드를 거치는 지역과 캐나다의 허드슨 만에서 알래스카에 이르는 지역입니다. 이들 지역에선 오로라의 빛 때문에 밤중에도 까만 하늘이 아닌 밤을 종종 맞이하곤 합니다.

 

 

지구 대기는 왜 순환할까요?

18~19세기 프랑스의 물리학자 코리올리는 대기가 순환하는 데 결정적인 영향을 미치는 힘 중의 하나인 코리올리 힘의 발견자입니다. 지구 대기는 질소, 산소, 수소, 헬륨, 오존, 이산화탄소 등 다양한 여러 기체들로 이루어져 있습니다. 그런데도 지구 곳곳에서 대기의 기체 구성 비율을 조사해 보면 큰 차이가 없습니다. 그 이유는 대류 현상에 의해 위아래 층의 대기가 골고루 섞이기 때문입니다.

 

 

지구 대기 순환

지구 대기는 한 곳에 머물러 있지 않고 움직입니다. 이것을 지구 대기가 순환한다고 합니다. 지구 대기는 왜 순환하는 걸까요?

지구본을 보면 지구가 곧게 서 있지 않고 옆으로 기울어 있습니다. 23.5도 기울어 있습니다. 공전 궤도면에 대해서는 66.5도 기울어져 있는 셈입니다. 지구가 이렇게 기울어서 회전하는 탓에 지구의 모든 곳이 다 같은 태양열을 받을 수는 없습니다. 게다가 지구가 구형이라는 사실도 그렇게 되는 데에 한몫합니다. 

 

그래서 적도 지역은 너무 많은 태양에너지가 내리쪼여서 열이 남아돕니다. 적도 지역이 사시사철 무더운 이유입니다. 한편 극지방은 적도 지역과 달리, 너무 적은 태양에너지를 받아서 1년 내내 춥습니다. 적도 지역은 에너지가 남고, 극지방은 에너지가 모자라는 불평등이 생기는 것입니다. 지구는 이러한 극심한 에너지 불평등을 좋아하지 않습니다. 그러니 지구 전체적으로 고르지 못한 열 불평등을 적당히 해소해 주어야 할 것입니다. 

 

지구의 불평등한 에너지는 남는 쪽은 에너지를 주고, 에너지가 부족한 지역은 그걸 받아서 보충합니다. 그럼 어떻게 에너지를 옮겨 줄 수 있을까요? 그 역할의 상당 부분은 대기가 해줍니다. 지구 대기가 전 세계를 아우르듯 움직이며, 이른바 대기 대순환을 하는 이유입니다.

 

 

대기 순환과 전향력

지구 대기는 순환을 합니다. 지구 대기가 순환을 하는 데 결정적인 영향을 끼치는 것이 지구의 자전입니다. 좀 더 엄밀히 말하면, 지구가 자전하면서 생기는 힘 때문입니다. 지구의 자전 주기는 고위도나 저위도나 일정한데, 움직여야 하는 거리는 다릅니다. 그러니 저위도와 고위도의 달리는 속도가 다릅니다. 이러한 속도를 선속이라고 합니다. 

 

백두산은 고위도이고, 한라산은 저위도입니다. 자전하는 지구를 생각하면, 백두산에 서 있는 사람보다 한라산에서 있는 사람이 더 빨리 움직이는 셈입니다. 빨리 달리는 쪽에서 느리게 달리는 쪽을 보면 뒤처지는 것처럼 보입니다. 그러면 한라산에 서 있는 사람에게 백두산에서 공을 쏘아 올리면 어떻게 보일까요? 뒤처지는 것으로 보일 것입니다. 그래서 한라산에 서 있는 사람에게 공은 서쪽으로 치우치는 것으로 보입니다. 날아오는 공의 입장에선 오른쪽으로 치우치게 된 격입니다.

이처럼 북반구에선 지구의 자전 때문에 공이 곧장 날아가지 못하고 오른쪽으로 휘어지게 됩니다. 이러한 현상은 지구를 순환하는 대기에도 마찬가지로 적용됩니다. 대기와 바람은 진행 방향의 오른쪽으로 휘어집니다. 휘어진다는 것은 힘을 받았다는 뜻입니다. 이 힘을 '방향을 바꾸는 힘'이라는 뜻으로 "전향력"이라고 합니다. 전향력은 발견자인 코리올리의 이름을 따서 "코리올리 힘"이라고도 부릅니다. 남반구에서는 전향력의 방향이 북반구와는 반대입니다.