츄 사이언스 - 해류의 순환

해류

일정한 방향과 속도를 갖는 해수의 이동인 해류는 세계 각지의 기후 및 지형변화에 커다란 영향을 미칠 만큼 중요한 과정입니다. 해류의 순환은 표층순환과 심층 순환으로 나눌 수 있으며, 서쪽에 치우친 서안 강화 현상이 일어나기도 합니다. 이러한 해류의 순환에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

해류의 대순환

1. 표층순환

해류라고 하면 보통 해양의 표층에서 일어나는 순환을 의미합니다. 표층 순환은 해수면에서 수심 약 1,000m 부근까지 생기는 흐름을 나타내며, 때때로 2,000m까지 나타나기도 합니다. 일반적으로는 대양의 서쪽에서 깊고, 동쪽에서 얕은 것이 특징입니다. 이러한 표층해류는 보통 원인이 바람입니다. 바람은 표면 마찰에 의해 해수에 응력을 주게 되고, 이 응력을 전해면에 대해 수개월 내지는 수년간 적분한 에너지량이 해류의 운동량에 해당됩니다. 중위도 지방에서 서풍의 바람이 불면 에크만 수송에 의해 해수는 남쪽으로 이동하게 됩니다. 한편 저위도 지방에서는 동풍의 바람에 의해 해수가 북쪽으로 이동하게 됩니다. 이러한 결과로 해수면의 수위는 중앙이 높아지게 되는데, 이로써 수압 경도력의 방향이 중위도 편서풍대에서는 북쪽으로 향하므로 반대 방향의 전향력과 평형을 이루어 해류는 동쪽으로 흐르게 되고, 저위도 무역풍대에서는 반대로 해류는 서쪽으로 흐르므로 바람의 방향과 일치하게 됩니다. 이와 같이 바람에 의해 수압의 높낮이가 만들어지게 되고, 이 높낮이로 인해 해류가 유지되는데, 이를 표층 순환 또는 바람에 의해 일어난다고 해서 풍성 순환이라고 부르게 됩니다. 실제 관측된 바람의 분포를 사용하여 표층 순환을 재현시켜보게 되면 북태평양을 대략 직사각형이라고 칠 때, 북반구에 3개의 커다란 순환이 일어남을 알 수 있습니다. 바람을 선으로 표시했을 때 이러한 선들이 밀집할수록 해류가 강함을 나타내는데, 이러한 선들이 모두 서쪽에 밀집해있음을 볼 수 있습니다. 이를 통해 서쪽에 있는 쿠로시오 해류는 매우 강하고, 동쪽에 있는 캘리포니아 해류는 비교적 약함을 알 수 있습니다. 북반구와는 다르게 남반구에서는 적도에 대해 북반구와 대칭된 모습으로 분포하게 됩니다.

세계의 표층 해류

2. 서안강화작용과 서안경계류

위와 같이 대양에서의 해수순환 중심이 모두 서쪽에 치우쳐 있음을 알 수 있습니다. 이는 전향력이 위도의 함수로 고위도로 갈수록 커지기 때문에 나타나는 현상인데, 1948년 스톰멜이 발견하였습니다. 직사각형의 바다가 있다고 가정할 때, 남북으로 반분하여 북쪽 반분에는 편서풍을, 남쪽 반분에는 무역풍을 불게 하고, 해류의 모양을 계산해보았습니다. 이 계산은 3가지 경우로 나누었는데, 첫째는 지구가 회전하지 않는 경우, 둘째는 지구가 일정한 각속도로 회전하는 경우, 셋째는 지구의 회전이 적도에서 가장 느리고 고위도로 갈수록 점점 빨라지도록 계산했습니다. 첫째와 둘째는 중점에 대하여 점대칭 모양을 하는 순환이 나타났고, 셋째는 순환의 중심이 서쪽으로 이동하게 되었습니다. 이러한 세 번째의 결과로 인해 서안강화작용(western intensification)이 나타남을 발견하였고, 이때 서쪽에 생긴 강한 해류를 서안 경계류(western boundary current)라고 합니다. 서안 경계류는 해류 중 쿠로시오 해류, 걸프 해류, 브라질 해류 및 동오스트레일리아 해류를 들 수 있습니다.

3. 심층순환

2,000m 아래의 깊은 바다에서는 표면에서 일어나는 변화에 영향을 미치지 않고, 표면에서 염분이 높아질 때 무거워진 해수가 가라앉아 심층수를 순환시키게 됩니다. 따라서 심층순환을 열염순환(thermohaline circulation)이라고도 부릅니다. 심층순환의 과정을 자세히 살펴보자면, 수온이 낮은 극지방에서 해수가 얼게 되면 주변의 해수는 염분이 높아지게 되고, 밀도가 커지게 됩니다. 밀도가 커진 해수는 심층으로 가라앉게 되고, 심층 내부에 수압 경도력을 발생시키게 되므로 해수가 움직이게 됩니다. 그 결과 전 세계의 심층으로 해수가 분배됩니다. 세계적으로 해수가 침강되어 심층수가 형성되는 곳은 남극 대륙 주변의 웨델해(Weddle Sea), 그린란드 동쪽 해안, 라브라도해(Labrador Sea) 및 지중해입니다. 심층 순환은 표층순환과 달리 매우 느리기 때문에 유속계로 유속을 관찰할 정도는 되지 않습니다. 따라서 이 순환의 증거를 찾기 위해서는 흔적을 찾아낼 수밖에 없습니다. 대서양을 남북방향으로 가로질러 관측한 염분 분포의 단면을 살펴보면 저층에서 남극 대륙의 고염분 해수는 북상하여 적도를 넘어 북반구까지 온 것을 볼 수 있고, 북반구도 고염분 해수가 중간층을 따라 남쪽으로 뻗어 있음을 알 수 있습니다. 심층수는 천천히 남북방향으로 이동하며 표층으로 올라오게 되는데 상승 속도는 1cm/일 정도로 해면까지 올라가는데 1,000년 정도의 긴 시간이 걸리게 됩니다. 표층 부근까지 상승한 해수는 표층 대순환에 의해 동서방향으로 혼합되고, 천천히 극을 향해 이동하게 됩니다. 이 해수는 다시 심층으로 가라앉으며 세계의 해양을 순환하게 됩니다.

4. 용승과 침강

용승(upwelling)이란 지형, 코리올리힘의 위도 변화, 바람 등에 의해 해수가 상승하는 운동을 말합니다. 용승의 가장 중요한 원인은 바람으로 해안선이 남북방향이고 왼쪽에 바다가 있을 때, 북쪽에서 북풍이 오랫동안 불편 표면의 마찰층에서 에크만 수송이 일어나, 표층수를 바다 쪽으로 운반하게 됩니다. 해안 가까이에서는 해수가 바다 쪽으로 이동해 가므로 해면은 낮아지게 됩니다. 이와 같이 낮아진 것을 보충하기 위해 바다 밑에서 찬물이 올라오게 되는데 이것이 바로 용승입니다. 이와 같이 연안에서 바람에 의해 나타나는 용승을 연안용승(coastal upwelling)이라고 합니다. 

침강(downwelling)은 용승의 경우와는 반대방향의 바람이 불면 일어나게 됩니다. 해안선이 남북방향이고 왼쪽에 바다가 있을 때, 남쪽에서 남풍이 오랫동안 불면 표면의 마찰층에서 에크만 수송이 일어나 표층수를 육지 쪽으로 운반하게 됩니다. 해안 가까이에서는 더 이상 동쪽으로 갈 수 없기 때문에 해수는 침강하게 됩니다.