2019 심화교육 – 유체지구과학(해양) 강의노트 1

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2019-10-19 경남과학고등학교 오유신 작성

#해양 순환과 해양/대기 상호작용

해양 순환

- 해양 순환은 크게 2가지 흐름이 존재한다. 해양 흐름은 태양 복사 에너지가 복사의 원천이 된다.

태양 복사 에너지는 위도에 따라 불균등하게 입사하며, 이는 대기와 해양의 대순환에 의하여 재분배된다.

대기 대순환에 의해서는 바다에 바람이 분다(해상풍). 이에 의하여 표면에 해양 순환이 생긴다(표층 해류). 그리고, 이 표층 해류가 다시 지구의 열 재분배에 기여하는 구조이다.(풍성순환(Wind-driven circulation))

극지역에서의 증가한 밀도를 가진 해양수는 심층수가 되어, 심층 해류를 형성하고, 심층 해류가 지구 전체의 열적 순환에 기여한다.
(열염순환(Density-driven circulation, Thermohaline circulation))

전지구적 열평형에 있어 대기/해양 대순환의 역할

위도에 따라 불균등하게 들어온 태양 복사 에너지가, 대기와 해양 대순환에 의해 저위도 -> 고위도로 운반되어 열평형에 기여하여 비교적 균등해진다.

전체 열평형 운송량의 2/3은 대기 대순환이 기여하고, 나머지 1/3은 해양 대순환이 기여한다.

해양 대순환의 경우, 태평양의 경우 북반구에서는 북반구 방향으로, 남반구에서는 남반구 방향으로, 인도양의 경우는 주로 남반구 방향으로, 대서양에서는 북반구 방향으로 열수송이 일어난다(대서양은 특이한데, 남쪽 대서양에서도 북쪽으로 열수송이 일어난다. 북대서양의 경우는, 심층 순환이 강하게 형성되므로, 표층 해류의 순환에 기여)

풍성 순환(Direct product of the sea surface wind?)

북반구에서는 시계 방향의 회전, 남반구에서는 반시계 방향의 회전이 일어나는 아열대 순환(실제 완전히 대칭적이지 않고, 서안경계현상, 중규모의 와동 형태) - 0도 ~ 30도.

주요 해류(Major surcafe current)

아열대 순환/아한대 순환: 북태평양(아열대, 아한대), 남태평양(아열대), 북대서양(아열대, 아한대), 남대서양(아열대), 남인도양(아열대)

환남극 해류(남극 순환 해류)

서안 경계류: 쿠로시오 해류(북태평양), 걸프 해류(북대서양), 브라질 해류(남대서양), 동오스트레일리아 해류(남태평양), 아굴라스 해류(남인도양)

해양에서 말하는 적도란 북위 5도~7도 정도임.

태평양에서는 북/남반구에 아열대 순환 각 1개로 총 2개, 대서양에서도 북/남 대서양에 각 1개로 총 2개, 인도양에서는 남반구의 아열대 순환 1개

태평양과 대서양에는 북반구 고위도에 아한대 순환이 각 1개씩 있다.

아열대순환의 경우는 무역풍과 편서풍의 영향을 받고, 아한대 순환의 경우 극동풍과 편서풍의 영향을 받는다.

큰 풍성 순환의 형태인 아열대/아한대 순환은 도합 7개가 있다.

환남극 해류의 경우는 대륙에 의해 막혀 있지 않으므로 동쪽으로 1바퀴 도는 해류가 발생

> 대표적 해류와 순환에 대해 알아둘 필요가 있음.

유명한 해양학자 3명

난센: 북극 주변에서 빙산의 움직임을 기록하여 바람의 방향과 빙산이 움직이는 방향이 20~40도 정도로 일정한 각도를 이룬다는 보고를 함.

에크만: 난센의 관측 결과를 지구 자전의 효과를 이용하여 설명해냈다(에크만 수송)

헨리 스토멜: 서안 경계류의 원인에 대하여 설명하였음.

에크만 수송(Ekman Sprial)

취송류에서, 바람이 부는 방향과 해수의 표면 이동 방향은 일정한 각도(북반구에서는 오른쪽으로 약 45도)를 이룬다.

에크만 수송의 효과는 바람에 의한 응력과 전향력이 균형을 이루어진다.

표면(첫번째 층)에서는 해상풍에 의한 마찰력과 전향력으로 인한 알짜힘으로인해 오른쪽으로 휘어지고, 아래 두 번째 층에서는 첫 번째 층으로 인한 응력과 전향력으로 인한 알짜힘으로 인해 오른쪽으로 휘어진다. 이런식으로 마찰저항심도(해수의 이동 방향이 표면과 정반대가 되는 깊이)까지 모두 각 층별로의 벡터를 적분해주면, 해수의 전체 이동 방향은 바람이 부는 방향에 대하여 북반구에서는 오른쪽 직각 방향이다.

마찰저항심도(에크만 깊이, Ekman depth)는 해상풍의 효과가 나타나지 않는 깊이로, 표층과 유향이 반대이고, 유속은 표면의 약 4% 정도이다.

유도 과정은 이러하나, 자세히 알 필요는 없고, 그 결과로 도출된 식의 의미를 생각해보자: 표면에서 해수의 이동 방향은 바람 방향에 대하여 북반구에서 오른쪽으로 45도이다. 마찰 저항 심도에서 유속은 표층의 4%정도이고, 방향이 반대이다.

남반구에서 에크만 수송의 방향은 반대임에 유의한다.

에크만 펌핑: 적도용승, 연안용승/침강

용승(upwelling): 심해의 물이 표층으로 솟아오르는 과정으로, 용승이 일어나는 해역은 심해의 영양 염류를 운반하기 때문에 가장 생물이 풍부하게 서식하는 지역에 속한다. 용승은 표층 해수의 발산이 일어나는 곳에서 발생한다.

1) 적도 용승: 무역풍에 의하여 적도를 기준으로 북반구에서는 해수가 오른쪽으로 빠져나가고, 남반구에서는 해수가 왼쪽으로 빠져나가, 가운데 비는 공간을 매우기 위해 심해에서 보류인 용승류가 발생하게 된다. (즉, 적도를 중심으로 코리올리 힘의 방향이 반대이기 때문에 적도 용승이 발생)

2) 연안 용승: 연안 부근에서 연안에 나란하게 바람이 부는 경우, 연안 부근에서는 표층 해류의 흐름이 막혀 있으므로, 취송류가 에크만 수송으로 빠져나가면 연안 해저로부터 보류인 용승류가 발생하게 된다. (에크만 수송과 해안에 의한 장벽 효과가 연안 용승의 원인)

질문1) 에크만 수송으로 인한 운반 가능 범위는 보통 표층 100m 정도까지 가능(마찰 저항 심도가 약 100m 정도), 하지만 주요 해류는 더 깊은 수심(1km 정도)까지 확장된다.

질문2) 에크만 수송에 의하여 표층 해류는 북반구에서 바람 방향으로 오른쪽으로 흐르나, 대부분의 해류는 바람의 방향과 같은 방향으로 흐른다. - 에크만 수송으로 해류 흐름 설명 X.

지형류 평형

힘의 평형: 수평압력경도력(Pressure Gradient) = 전향력(Coriolis force)

해수가 많이 쌓인 지역의 밑에서는 압력이 크고, 해수가 적게 쌓인 지역의 밑에서는 압력이 크다.

지형류 평형의 과정

> 1. 초기운동: 수압이 높은 곳 -> 낮은 곳으로 해류가 흐른다.

> 2. 전향력이 작용하여 해류의 흐름이 편향된다(북반구에서는 오른쪽).

> 3. 계속 전향력이 발생하여, 전향력과 수압경도력이 평형이 될 때까지 해수는 방향을 바꾼다.

> 4. 등압력면을 따라 해수가 흐른다(지형류/Geostrophic current 평형).

> 이러한 발생의 개념은 대기에서의 지균풍과 유사하다.

지형류 평형: 일반해

지형류의 유속은 해수면의 경사에 비례한다. [eqn: fv=g {delta `h} over {delta `x}], [eqn: v= {g` delta `h} over {f` delta `x}].
(f는 코리올리 힘)

방향은 북/남반구 따져서 전향력의 방향 결정을 역이용

에크만 수송과 지형류의 관계

평탄한 해양 표면에 바람이 불면, 북반구에서는 풍향의 직각 우향으로 에크만 수송이 발생하여, 오른쪽으로 해수가 쌓이고, 왼쪽으로 해수가 비게 되고, 우측의 해수의 압력이 증가, 좌측이 해수의 압력이 감소하며, 우측에서 좌측으로 수평수압경도력이 생기고, 해수의 초기 운동이 생기고, 코리올리 힘을 받으면서 등압력선에 도달할 때까지 운동하여, 지형류가 흐르게 된다.

주요 해류가 이런 메커니즘으로 흐르고, 결국 초기 풍향과 동일 방향으로서 흐르게 된다. (Wind-driven circulation에서의 Geostrophic Current)

주요 해류(Major surface current): Review

녹색 화살표가 바람의 방향이다.

주요 해류들은 모두 지형류 평형을 만족한다.

실제 해양순환(풍성순환)은 그림처럼 대칭적이지 않다 – 서안강화 현상과 중간 와류.

서안강화현상(Intensification of the western boundary current)

바람(흰색)은 대칭성을 보이나, 실제 해류(청색)은 대칭성이 보이지 않는다.

북대서양의 서안경계류: 걸프 해류

서안 경계류와 동안 경계류의 주요 특성 비교

대서양: 걸프 해류와 카나리 해류
브라질 해류와 벵굴라 해류

태평양: 쿠로시오 해류와 캘리포니아 해류
동오스트레일리아 해류와 페루 해류

일반적으로 서안 경계류의 경우, 서쪽 해안을 따라 흐르며, 주로 저위도->고위도 방향의 난류이고, 강하고 좁고 깊다. 반대로 동안 경계류는 동쪽 해안을 따라 흐르며, 주로 고위도->저위도 방향의 한류이고, 약하고 넓고 얕다.

서안경계류의 이해 – 38:00 Stop.

와도(Vorticity): 회전축에 대한 입자의 회전 정도를 나타내는 양(반시계방향이 양)

와도 방정식(Vorticity Equation): 베타 효과(위도에 따른 전향력의 변화), 바람에 의한 응력과 마찰력.

베타 효과란? 위도(y)에 따른 전향력의 변화.

그림에서, 시계방향(음의 와도)로 해류가 흐르고 있었다고 하자. 양단 경계에서 마찰력에 의하여 흐름이 느려진다면, 시계 방향으로서의 흐름이 약해진다는 것으로, 이는 양의 와도 양산에 기여한다.

이는 베타 효과를 무시한 결과, 양단에 대칭적인 마찰에 의한 양의 와도 효과 발생, 대칭적인 해류의 흐름이 발생

실제 지구는?

베타 효과가 있기 때문에, 고위도로 갈수록 전향력이 커지므로[eqn: C=2mv OMEGA sin phi] 해류의 오른쪽 방향으로 전향력이 작용.

해수가 저위도->고위도로 갈 때는 전향력은 음의 방향의 와도에 기여하고, 고위도->저위도로 갈 때에는 전향력은 양의 방향의 와도에 기여하게 된다.

그러하면, 서안과 동안에서, 와도의 평형을 이루어야 하는데, 서안의 경우 바람에 의한 응력과 전향력에 의한 음의 와도가 큰 상태이므로, 양의 와도로 기여하기 위해서는 큰 마찰력이 필요하며, 동안의 경우 전향력에 의한 양의 와도가 부분적 기여하고 있으므로, 비교적 적은 마찰력이 평형에 필요하게 된다.

서안 경계류를 이해하기 위해서는, 서안 경계류도 바람에 따라 흐른다는 사실, 그리고 대기와는 달리, 서쪽과 동쪽에 대륙에 의하여 흐름이 막혀있다는 사실, 지구의 자전 효과가 위도에 따라서 변하는(베타 효과) 사실을 기억해야 한다.

해양의 대순환은 서쪽에 좁고 깊은 흐름이 발생한다.

중규모 와동(소용돌이, Meso-scale Eddies)

크기는 10~100km 정도. 1000~10000km 스케일의 주요 해류에서 분화

수명은 수주~수년에 이르고, 회전 속도는 10cm/s 이상 정도.

중요성: 해양의 열과 염, 영양염의 혼합 및 전달

해류가 크게 소용돌이 치는 중규모 와동에서, 심해지면 이것이 떨어져나간다.

시계방향은 고기압성이고, 에크만 수송에 의하여 표층 수렴이 발생하고, 주요 해류의 북쪽에 위치하는 온난한 와동이다.

반시계방향은 저기압성이고, 에크만 수송에 의하여 표층 발산이 발생하고, 주요 해류의 남쪽에 위치하는 한랭한 와동이다.

해양 대순환(표층(풍성) 순환의 요약)

해양 대순환은 지구 열 재분배와 지구 기후 변화에 기여한다. (대기 대순환과 함께)

아열대 순환, 아한대 순환 등의 주요 순환은 에크만 수송과 지형류에 의하여 설명될 수 있다. - 바람에 의한 순환(바람, 에크만 수송, 연직 수압 경도력, 지형류)

서안 경계류는 와도 평형에 의하여 설명될 수 있다(베타 효과)

서안 경계류를 따라서 많은 수의 중규모 와동이 발생한다.