지구의 대기는 끊임없이 움직입니다. 적도 부근의 뜨거운 공기는 위로 올라가고, 극지방의 찬 공기는 아래로 가라앉으며, 이들 사이에서 거대한 순환이 만들어집니다. 이것이 바로 대기 대순환입니다. 대기 대순환은 지구 전체의 열과 습기를 재분배하며, 각 지역의 기후를 결정하는 가장 근본적인 메커니즘입니다. 대기 대순환의 일부인 무역풍은 대항해시대부터 선원들이 의지해온 안정적인 바람으로, 오늘날에도 열대 지역의 날씨와 기후를 지배합니다. 무역풍이라는 이름은 과거 무역선들이 이 바람을 타고 항해했던 데서 유래했습니다. 이 글에서는 대기 대순환이 어떻게 형성되는지, 무역풍은 무엇이며 어떤 역할을 하는지, 그리고 이러한 대규모 대기 운동이 우리의 기후와 생활에 어떤 영향을 미치는지 상세히 알아보겠습니다.
대기 대순환이 만들어지는 원리
대기 대순환의 근본 원인은 태양 에너지의 불균등한 분포입니다. 지구는 구형이기 때문에 적도 지역은 태양 광선을 거의 수직으로 받지만, 고위도로 갈수록 비스듬하게 받습니다. 같은 양의 태양 에너지라도 적도에서는 좁은 면적에 집중되지만, 극지방에서는 넓은 면적에 퍼져서 단위 면적당 받는 에너지가 훨씬 적습니다. 그 결과 적도는 뜨겁고 극지방은 차갑게 됩니다. 만약 지구가 자전하지 않는다면 대기 순환은 매우 단순할 것입니다. 적도의 뜨거운 공기가 상승하여 극지방으로 이동하고, 극지방의 찬 공기가 하강하여 적도로 돌아오는 하나의 큰 순환 고리가 만들어질 것입니다. 하지만 지구는 자전하고, 이 자전이 모든 것을 복잡하게 만듭니다. 지구 자전으로 인해 코리올리 효과가 발생합니다. 코리올리 효과는 움직이는 물체가 북반구에서는 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 휘어지는 현상입니다. 이는 실제로 힘이 작용하는 것이 아니라, 자전하는 지구상에서 보았을 때 나타나는 겉보기 현상입니다. 코리올리 효과는 위도가 높을수록, 그리고 이동 속도가 빠를수록 강해집니다. 적도에서는 코리올리 효과가 거의 없지만, 극지방으로 갈수록 강해집니다. 코리올리 효과 때문에 단순한 하나의 순환 대신 세 개의 순환 세포가 형성됩니다. 이를 삼세포 순환 모델이라고 합니다. 첫 번째는 해들리 순환입니다. 적도 부근에서 뜨거운 공기가 상승하여 상층에서 극쪽으로 이동하다가, 위도 30도 부근에서 하강합니다. 하강한 공기는 지표면을 따라 다시 적도로 돌아갑니다. 이것이 가장 강력하고 안정적인 순환입니다. 두 번째는 페렐 순환입니다. 위도 30도와 60도 사이의 중위도 지역에서 나타나는 간접 순환입니다. 이 순환은 해들리 순환과 극순환 사이에 끼여 있어 상대적으로 약하고 불규칙합니다. 우리나라가 위치한 중위도는 이 페렐 순환의 영향을 받습니다. 세 번째는 극순환입니다. 위도 60도 부근에서 공기가 상승하여 극지방으로 이동하고, 극지방에서 하강하여 다시 위도 60도로 돌아오는 순환입니다. 극지방의 강한 냉각으로 인해 만들어지는 약한 순환입니다.
무역풍의 탄생과 특성
해들리 순환이 만든 안정적인 바람
무역풍은 해들리 순환의 하층 부분, 즉 위도 30도 부근의 아열대 고압대에서 적도 저압대로 돌아가는 바람입니다. 이 바람은 지구상에서 가장 안정적이고 일정한 바람입니다. 북반구에서는 북동무역풍, 남반구에서는 남동무역풍이라고 부릅니다. 무역풍이 북동쪽 또는 남동쪽에서 부는 이유는 코리올리 효과 때문입니다. 아열대 고압대에서 출발한 공기는 본래 남쪽으로 향하지만, 코리올리 효과로 인해 오른쪽으로 휘어져 북동풍이 됩니다. 남반구에서는 반대로 왼쪽으로 휘어져 남동풍이 됩니다. 무역풍의 풍속은 초속 5~8미터 정도로 그리 강하지 않지만, 연중 내내 꾸준히 같은 방향에서 붑니다. 이러한 일관성 덕분에 대항해시대의 범선들은 무역풍을 타고 대서양과 태평양을 횡단할 수 있었습니다. 콜럼버스가 아메리카 대륙을 발견한 항로도 북대서양의 무역풍을 이용한 것입니다. 무역풍이 부는 지역의 기후는 독특합니다. 무역풍은 바다 위를 지나면서 수증기를 흡수하지만, 이 공기는 아열대 고압대에서 하강한 것이므로 안정적입니다. 따라서 무역풍 지역의 해양에는 구름이 적고 날씨가 맑습니다. 하와이가 연중 맑고 쾌청한 날씨를 보이는 것도 무역풍 덕분입니다. 하지만 무역풍이 대륙의 동쪽 해안에 부딪히면 다른 결과가 나타납니다. 습한 공기가 육지와 만나 상승하면서 많은 비를 뿌립니다. 브라질 동부 해안이나 마다가스카르 동부가 다우 지역인 이유입니다.
무역풍 수렴대와 열대 기후
북반구의 북동무역풍과 남반구의 남동무역풍이 만나는 지역을 열대 수렴대 또는 적도 수렴대라고 부릅니다. 이 지역은 지구상에서 가장 대류 활동이 활발한 곳입니다. 양쪽에서 모여든 따뜻하고 습한 공기가 상승하면서 엄청난 양의 구름과 비를 만듭니다. 적도 부근의 열대우림이 발달한 지역, 즉 아마존, 콩고 분지, 동남아시아가 모두 열대 수렴대의 영향을 받습니다. 열대 수렴대의 위치는 고정되어 있지 않고 계절에 따라 움직입니다. 태양이 가장 높이 뜨는 위치를 따라 이동하는데, 북반구 여름에는 북쪽으로 올라가고 겨울에는 남쪽으로 내려갑니다. 이 이동이 열대와 아열대 지역의 우기와 건기를 만듭니다. 예를 들어 인도는 여름에 열대 수렴대가 북상하면서 남서 몬순이 불어와 많은 비를 받지만, 겨울에는 열대 수렴대가 남하하면서 건조해집니다. 무역풍은 해양 순환에도 영향을 미칩니다. 무역풍이 해수면을 지속적으로 밀어내면서 북적도 해류와 남적도 해류를 만듭니다. 이 해류들은 서쪽으로 흐르면서 따뜻한 표층수를 서태평양과 서대서양으로 운반합니다. 그 결과 동태평양은 차갑고 서태평양은 따뜻해지는 동서 온도 경도가 형성됩니다. 이것이 정상 상태이며, 무역풍이 약해지면 엘니뇨가 발생합니다.
중위도와 극지방의 바람 시스템
중위도 지역, 즉 위도 30도에서 60도 사이는 편서풍대입니다. 이 지역에서는 서쪽에서 동쪽으로 부는 바람이 우세합니다. 편서풍은 페렐 순환의 상층에서 극쪽으로 이동하던 공기가 코리올리 효과로 동쪽으로 휘어지면서 만들어집니다. 편서풍은 무역풍만큼 일정하지 않고 변동이 심합니다. 특히 상층의 편서풍 제트기류는 남북으로 크게 사행하면서 저기압과 고기압을 만듭니다. 우리나라를 포함한 중위도 지역의 변덕스러운 날씨는 바로 이 편서풍과 제트기류의 변동 때문입니다. 편서풍대는 온대성 저기압이 빈번하게 발생하는 지역입니다. 무역풍대에 비해 대기가 불안정하며, 남쪽의 따뜻한 공기와 북쪽의 찬 공기가 만나 전선과 저기압을 만듭니다. 사계절이 뚜렷한 기후가 나타나는 것도 편서풍대의 특징입니다. 위도 60도 부근에는 극전선이 형성됩니다. 이곳은 중위도의 따뜻한 공기와 극지방의 찬 공기가 만나는 경계로, 온대성 저기압이 빈번하게 발생합니다. 극전선의 위치는 계절에 따라 변하는데, 겨울에는 남하하고 여름에는 북상합니다. 극지방에는 극동풍이 붑니다. 극지방에서 하강한 찬 공기가 저위도로 퍼져나가면서 코리올리 효과로 동쪽에서 서쪽으로 부는 바람이 됩니다. 극동풍은 매우 차갑고 건조하며, 겨울철 시베리아에서 불어오는 북서 계절풍도 극동풍의 일종입니다. 대기 대순환은 지구의 열평형을 유지하는 중요한 메커니즘입니다. 적도에서 흡수한 과잉 열을 고위도로 운반하여 극지방을 덥히고, 극지방의 찬 공기를 저위도로 보내 적도를 식힙니다. 만약 대기 순환이 없다면 적도는 지금보다 훨씬 더 뜨겁고 극지방은 훨씬 더 추워질 것입니다. 해양 순환도 열수송에 기여하지만, 대기 순환이 더 빠르고 효율적입니다. 대기 대순환은 수증기도 운반합니다. 열대 해양에서 증발한 수증기가 대기 순환을 타고 전 세계로 퍼져나가 비를 뿌립니다. 이것이 지구의 물순환을 가능하게 합니다. 기후 변화는 대기 대순환에도 영향을 미칩니다. 지구 온난화로 극지방이 빠르게 따뜻해지면서 적도와 극지방의 온도 차이가 줄어들고 있습니다. 이는 제트기류를 약화시키고 사행을 심하게 만들어, 이상 기후 현상의 빈도를 증가시킵니다. 또한 해들리 순환이 확장되면서 아열대 건조대가 극쪽으로 이동하고 있다는 연구 결과도 있습니다. 이는 지중해 지역과 같은 아열대 기후 지역이 더 건조해질 수 있음을 의미합니다.