츄 사이언스 - 해류를 일으키는 힘

표층해류와 심층해류

해류는 표층해류와 심층해류로 나눌 수 있는데, 표층해류의 원인은 바람이고, 심층해류의 원인은 남북 온도차에 의한 밀도차에 의한 것이라고 볼 수 있습니다. 해류는 근본적으로 지형류 평형 상태에서 존재하기 때문에 유속이 존재한다는 것은 압력의 경도 또한 존재함을 의미합니다.

해류를 일으키는 힘

1. 바람의 응력

바람이 해수면 위로 불면 바람의 수평방향 운동이 바다로 전달됩니다. 바람의 운동량은 물의 점성에 의해 아래로 전파되는데, 분자운동 및 난류 운동에 의해 전달됩니다. 이러한 운동량에 의해 해양에서는 풍파가 생기거나 해류가 발생합니다. 바람이 일으키는 표면 해류의 속도는 바람의 3% 정도이고, 해면에 작용하는 바람의 응력은 풍속의 제곱에 비례하게 됩니다. 대양의 표층 순환계는 주로 태평양 전역의 바람 응력(wind stress)에 의해 형성되고 있습니다. 바람의 응력은 에크만 수송을 야기시키고, 이로 인한 수압 경도력이 생겨 지형류 평형이 일어나고, 대규모의 표층 해류가 발생하게 됩니다.

2. 수압 경도력

수압 경도력(pressure gradient force)은 해양에서 두 가지로 작용합니다. 첫 번째는 해수면이 수준면에 대해서 경사져 있을 때입니다. 이때 수준면은 등포텐셜면으로 그 면을 따라 물질이 움직여도 일량이 0인 면을 뜻합니다. 압력 구배력의 크기는 깊이에 관계없이 일정한데, 이러한 해수면의 경사를 만드는 원인으로는 바람이 가장 큰 역할을 하게 됩니다. 두 번째는 밀도가 큰 해수와 밀도가 작은 해수가 서로 접촉하고 있는 경우로서, 이때의 압력 구배력은 수심의 깊이에 따라 커집니다. 바다 내부의 불균일한 밀도 분포를 만드는 것은 표층에서 냉각이나 증발, 강우 등에 의하여 무거워진 해수가 심해로 침강하였을 때 이루어지게 됩니다. 실제로 바다에서는 이들 두 경우가 중복되어 압력 구배력을 만들고 있습니다.

수압경도력

3. 코리올리 힘

해수의 순환은 주로 해수면의 가열이나 냉각, 해수면에 작용하는 바람의 응력 등에 의해 일어나지만, 이때 중요한 역할을 하는 것이 지구의 자전 효과에 의해 나타나는 코리올리 힘(coriolis force) 또는 전향력입니다. 여기서 힘이란 물체의 운동 방향만을 바꾸어주는 가상적인 힘을 말합니다. 코리올리 힘은 지구 상의 움직이는 모든 물체에 대해 작용하며, 북반구에서는 물체의 진행 방향에 대해 오른쪽으로 기울게 하며, 남반구에서는 왼쪽으로 기울게 하는 것이 특징입니다. 자전하고 있는 지구가 있다고 가정했을 때, 북극점에 서 있는 사람은 자신의 수직축 주위를 1일 1회 반시계 방향으로 회전하고 있으며, 남극점에 서 있는 사람은 반대로 1일 1회 시계방향으로 회전하고 있습니다. 그러나 적도상에 서 있는 사람은 자신의 남북의 수직축 주위로는 회전하지만, 수직축 주위로는 전혀 회전하지 않게 됩니다. 또한 적도와 극 사이에 서 있는 사람은 sin𝟇(𝟇는 자신의 위도)에 비례하여 수직축 주위로 회전하게 됩니다. 따라서 회전 속도가 적도 부근에서 작고 극에 가까울수록 커진다는 것을 알 수 있습니다. 코리올리 힘의 크기는 이 수직축 주위의 회전 각속도에 비례합니다. 지구의 자전 각속도를 𝝎라고 하면, 위도 𝟇인 지점에서 수직축 주위의 회전은 𝝎sin𝟇 이므로 수평 속도 v로 움직이는 질량 m인 물체에 작용하는 코리올리 힘 F는 mv2𝝎sin𝟇입니다. 여기서 접평면의 회전 각속도를 2배로 한 것(f=2𝝎sin𝟇)을 코리올리인자(Coriolis parameter)라고 합니다. 이 식에서 지구의 회전이 일정하므로 코리올리 인자(f)는 위도만의 함수입니다. 해양 및 대기에서 코리올리 힘은 해수 및 대기의 운동 양상에 큰 영향을 끼칩니다. 에크만 나선 운동, 지형류와 지균풍, 관성 운동, 해수의 순환, 서안 경계류 및 용승과 침강 등이 모두 코리올리 힘의 영향으로 나타난 현상이라고 할 수 있습니다. 에크만 운동의 경우 표면 해수의 이동은 바람 방향의 오른쪽 45° 방향으로 이동하며, 차차 깊어짐에 따라 시계 방향으로 편항하게 됩니다. 어느 깊이 D가 되면 표면 해수와 반대방향이 되는데, 이때는 표면 유속의 1/23 만큼의 크기를 가지므로 거의 무시할 수 있습니다. 이때 D를 마찰 저항 심도라 부르며, 표면에서 D까지의 층을 에크만 마찰층이라고 합니다. 해양 내부의 압력분포에 기여하는 것은 마찰층 내의 평균 해수 이동입니다. 이러한 해수의 이동을 에크만 수송(Ekman transport)이라고 합니다. 지형류 평형의 경우 해양에서 해수면의 경사에 의한 수압 경도력과 코리올리 힘이 평형을 이루는 상태에서 흐르는 해류를 지형류라고 합니다. 그리고 모든 해류는 지형류 평형을 이루고 있습니다.