대기와 해양의 상호 작용

지구는 적절한 대기와 풍부한 물이 있어 생명체가 살 수 있는 행성이다. 해양은 많은 양의 태양 복사 에너지를 흡수하여 지구를 데운 후 대기로 다시 복사하고, 증발을 통해 대기에 에너지를 공급한다. 또한 저위도의 열을 고위도로 운반하면서 지구 전 지역의 기상과 기후에 중요한 역할 이러한 대기와 해양의 상호 작용은 어떻게 일어나고 있는지 알아보자.을 한다. 대기와 해양의 순환 잉글랜드의 프로 축구 리그인 프리미어 리그는 유명한 축구 선수들의 화려한 기술과 멋진 승부로 전 세계의 축구 팬들을 환호시킨다. 우리나라의 프로 축구 리그인 K-리그는 봄철에 시작하여 겨울 전에 막을 내리는 반면, 프리미어 리그는 8월에 시작해서 겨울을 지나 다음 해 5월이 되어 끝나게 된다. 영국은 우리나라보다 위도가 10! 이상 높아서 입사하는 태양 복사 에너지양이 훨씬 적다. 따라서 우리나라보다 더 추운 겨울을 맞이할 것이라고 생각된다. 그러나 특별한 경우를 제외하고 영국은 겨울에도 영상의 기온을 유지하여 축구 리그를 운영하는 데 문제가 없으며, 일반인들도 겨울철에 경기를 즐긴다. 대기 대순환과 해수의 표층 순환은 어떤 관계일까? 우리나라에서 태평양을 지나 미국으로 향하는 배들의 항로를 보면 특이한 점이 있다. 태평양을 가로지르는 최단 거리의 항로를 선택하지 않고 주변부를 돌아가는 항로를 선택한다. 또한 되돌아올 때는 처음 갈 때의 항로를 이용하지 않고 다른 항로를 이용한다. 정해진 도로를 달리는 자동차와 달리 배들은 바다에서 자유롭게 항로를 정해 항해할 것으로 생각한다. 그러나 실제 배가 이동해 가는 항로는 몇 가지로 제한적이다. 배를 운항하는 항해사는 바다에서 흐르는 해류나 지역에 따라 부는 바람 등의 조건을 고려하여 항로를 선택해 항해한다. 배의 항로에 영향을 주는 해류는 어떻게 발생하는 것일까? 지구는 구형이므로 지표면에 들어오는 태양 복사 에너지양은 위도에 따라 서로 다르다. 이 때문에 발생하는 위도별 에너지의 불균형을 해소하기 위해 지구적인 규모로 나타나는 대기의 순환을 대기 대순환이라고 한다. 대기 대순환으로 부는 바람의 방향은 위도에 따라 다르다. 위도 0°~30° 사이에서는 무역풍이, 30°~60° 사이에서는 편서풍이, 60°~90° 사이에서는 극동풍이 분다. 대기 대순환에 의해 일정한 방향으로 지속적으로 부는 바람은 표층의 해수를 일정한 방향으로 흐르게 한다. 이렇게 해양의 표면에서 일정한 방향으로 흐르는 해수의 흐름을 표층 해류라고 한다. 표층 해류는 지구 자전의 영향으로 북반구에서는 풍향의 오른쪽 방향으로, 남반구에서는 왼쪽 방향으로 흐른다. 이러한 해류가 대륙에 막혀서 휘어지면서 대양의 주변을 회전하는 거대한 표층 순환을 형성한다. 북태평양에는 쿠로시오 해류, 북태평양 해류, 캘리포니아 해류, 북적도 해류 등이 있으며, 북대서양에서는 북대서양 해류, 멕시코 만류, 카나리아 해류 등이 있다. 남반구에서는 북반구와 대칭적인 해류 분포가 나타나며, 남극 순환류는 남극 대륙을 감싸며 돈다. 해류는 지구에서 바람과 함께 위도별 에너지 불균형을 해소하는 역할을 한다. 저위도에서 고위도로 흐르는 난류는 저위도의 에너지를 고위도로 수송하고, 고위도에서 차가워진 해수는 한류가 되어 저위도로 되돌아오는 순환을 반복하면서 에너지의 수송이 일어난다. 우리나라는 북태평양의 서쪽에 있어 쿠로시오 해류의 영향을 크게 받는다. 일본 부근에서 갈라진 쿠로시오 해류의 일부는 황해로 흘러들어 황해 난류가 되고, 일부는 동해로 유입되어 쓰시마 난류와 동한 난류를 형성한다. 연해주 한류는 러시아 연안을 따라 내려오다가 그 일부가 북한 한류를 형성한다. 해수의 심층 순환은 어떻게 형성될까? 제 2차 세계대전 초 지중해에서는 독일군 잠수함의 공격으로 영국 군함이 파괴되면서 큰 피해를 입었다. 당시 영국군은 지중해 입구부터 잠수함의 미세한 소음까지 철저히 감시하고 있었지만, 어느새 독일군의 잠수함은 지중해로 들어와 작전을 펼친 후 유유히 빠져나갔다. 표층의 해수는 바람의 영향으로 저위도와 고위도를 이동하면서 일정한 방향으로 순환한다. 그러나 바람의 영향이 미치지 않는 수온 약층의 아래에서도 해수는 움직이고 있다. 제 2차 세계대전 당시 독일군의 잠수함은 바로 이 해수의 움직임을 이용하였다. 수온 약층 아래의 해수는 어떤 원인으로 움직이는 것일까? 해수의 심층 순환 | 해수의 표면 온도가 주변보다 매우 낮아지거나 해수가 얼면서 주변으로 빠져나온 염류에 의해 염분이 높아진 수괴들은 밀도가 상대적으로 커져서 가라앉게 된다. 가라앉은 해수는 표층 해류와는 달리 매우 천천히 이동한다. 이처럼 해수가 침강하여 밀도 차이에 의해 심층에서 나타나는 해수의 흐름을 심층 순환이라고 한다. 해수의 심층 순환은 수온 약층 아래에서 느리게 일어나므로 직접 측정하기는 어렵다. 따라서 해수의 침강에 의한 심층 해류를 알기 위해서는 수괴의 밀도를 파악해야 한다. 이를 위해 수온-염분도를 사용할 수 있다. 만약 어떤 지점의 수온-염분도가 나타난다면 수심이 깊어질수록 대체로 해수의 밀도가 증가한다는 것을 알 수 있다. 또한 A와 D 지점의 비교를 통해 염분이 같아도 수온이 낮아지면 밀도가 증가한다는 것과, B와 C 지점의 비교를 통해 수온이 같아도 염분이 높아지면 밀도가 증가한다는 것을 알 수 있다. 밀도 변화에 의한 해수의 침강 현상은 그림 6과 같이 북대서양에서 가장 두드러진다. 북아메리카의 동해안을 따라 흐르는 표층의 해류는 비교적 따뜻하고 염분이 높다. 이 해수가 북상하여 그린란드 주변 해역에서 냉각되고 침강하여 북대서양 심층수가 형성된 후 적도를 거쳐 남대서양까지 이동한다. 밀도가 가장 큰 수괴는 남극 저층수인데, 겨울철 남극의 웨델해에서 바닷물이 얼며 생긴 차갑고 염분이 높은 해수가 침강하여 생긴다. 남극 저층수는 해저를 따라 북상하여 북위 30°까지 흐르고, 남위 60° 부근에서 생긴 중층수는 수심 1,000m의 중층을 타고 북반구로 이동한다. 해수의 심층 순환은 표층 순환에 비해 느리지만 해양의 전체 수심에 걸쳐 일어나므로 해수 순환에 중요한 역할을 한다. 특히 저위도의 열에너지를 고위도로 꾸준히 수송하여 위도별 온도 격차를 줄여준다. 심층 순환은 표층 순환과 밀접하게 연결되어 지구 기후에도 영향을 준다. 지구의 기온이 상승하면 빙하의 융해, 강수량의 증가 등으로 담수의 유입량이 늘어나면서 염분이 감소하여 해수의 밀도가 낮아진다. 이는 심층 순환을 약화시키는 원인으로 작용하면서 고위도까지 흐르던 표층 해류의 흐름에 영향을 주어 주변 지역의 기후를 변화시키기도 한다. 커피나무의 열매인 커피는 평균 기온이 20℃이며, 연간 기온차가 거의 없고 강우량이 1,550 mm 정도인 기후에서 주로 생산된다. 세계 최대 커피 생산국인 브라질에서는 페루 앞바다의 수온이 상승하여 어획량이 급감하는 현상이 나타날 때, 이와 주기를 같이하여 커피 생산량이 줄어든다고 한다. 표층 해수는 수직적으로 잘 섞이지 않는 안정한 구조를 유지하고 있다. 그러나 연안을 따라 지속적인 바람이 불면 표층 해수가 먼 바다 쪽으로 이동하고 아래에 있던 해수가 올라온다. 이렇게 해수가 위로 올라오는 현상을 용승이라고 한다. 반대로 표층 해수가 아래로 내려가는 현상을 침강이라고 한다. 남아메리카의 페루와 에콰도르 같은 저위도 연안 해역은 무역풍이 불어 표층수를 서쪽 먼 바다로 밀어내면서 용승이 활발하게 일어나 수온이 낮게 유지된다. 반면 남태평양 서쪽의 호주 연안에는 따뜻한 표층수가 쌓이게 된다. 남아메리카 페루 연안의 무역풍이 평소보다 약해지면 그 해역에서는 용승이 억제되고 해수 온도가 평소보다 높아지는데, 이를 엘니뇨라고 한다. 반대로 이 해역의 수온이 더욱 낮아지는 현상을 라니냐라고 한다. 라니냐는 주로 엘니뇨 발생 전이나 후에 나타난다. 엘니뇨나 라니냐가 일어나면 수온 및 해수의 영양 염류량 등이 달라져 해양 생태계에 변화를 준다. 또한 대기 대순환이 바뀌어 강수량이 풍부한 지역에 가뭄이 발생하거나, 연중 온난한 기후를 보이는 지역에 한파가 발생하는 등 이상 기후를 발생시킨다. 평상시에 남태평양의 동쪽에는 고기압이, 서쪽에는 저기압이 형성된다. 그런데 수온 변화에 따라 기압 배치가 역전되면 무역풍의 세기가 달라지거나 방향이 변하기도 한다. 수년에 걸쳐 나타나는 이러한 해수면 기압의 주기적인 진동 현상을 남방 진동이라고 한다. 남방 진동 지수는 평상시 양의 값을 가지나, 엘니뇨 발생 기간에는 음의 값으로 나타난다. 그런데 남방 진동 지수의 변동 주기와 엘니뇨 발생 주기는 일치하는 것으로 관측되어 대기 현상인 남방 진동과 해양에서 발생하는 엘니뇨의 관련성을 알 수 있다.