해류: 지구의 기후 조절 장치

1850년대의 어느 겨울, 미국 해군 중위 출신의 한 사람이 워싱턴의 미국 해군 천문대에 놓인 긴 떡갈나무 탁자 앞에 앉아 산더미처럼 쌓인 선박 항해 일지에 파묻혀 있었다. 매슈 폰테인 모리는 대서양 상선, 태평양 포경선, 그리고 해군 프리깃함의 손으로 쓴 기록들을 모아 오고 있었고, 이제 그는 그것들로부터 누구도 그전에 정리해 본 적 없는 무언가를 끄집어내고 있었다. 바람과 바닷물이 실제로 지구 전체를 어떻게 움직이는지에 대한 일관된 그림이었다. 몇 년 전의 낙마 사고가 그의 바다 생활을 끝내고 그에게 책상 하나와 연금, 그리고 항해 일지의 산을 남겼는데, 그는 바로 그 제약 속에서 새로운 과학을 세웠다.

이 작업에서 나온 책은 1855년 하퍼 출판사에서 출간되었고 제목은 *바다의 자연지리학(The Physical Geography of the Sea)*이었는데, 물리해양학의 기초를 닦은 교과서로 평가받는다. 모리의 핵심 통찰은 바다가 가로질러야 할 특징 없는 물의 광활한 펼침이 아니라, 그 속에 강이 흐르는 구조화된 순환 체계라는 것이었다. 배가 하류를 따라가는 해류처럼 올라탈 수 있는 따뜻하고 차가운 물의 강들이 흐르는 곳이었다. 그 통찰은 오늘날 우리가 바다가 어떻게 기후를 지배하는지에 대해 이해하는 모든 것의 출발점이다. 이 글이 답하려는 질문은 겉보기에는 단순하다. 대부분 차갑고 어두운 소금물 덩어리가 어떻게 대륙의 온도와 지구 반대편 날씨의 리듬을 통제하게 되는가?

하나의 못이 아니라 층으로 이루어진 바다

가장 먼저 버려야 할 것은 바다를 하나의 균일한 덩어리로 보는 이미지다. 외해는 서로 매우 다르게 움직이는 세 개의 주요 층으로 수직 구조를 이룬다. 맨 위에는 혼합층이 있는데, 바람과 파도에 의해 수십 미터에서 수백 미터 깊이까지 휘저어지며, 비교적 따뜻하고 잘 섞여 있고, 대기와 직접 상호작용하는 바다의 부분이다. 이 층이 바로 배가 항해하고 공기와 열과 기체를 교환하는 층이다.

혼합층 아래에는 *수온약층(thermocline)*이 놓여 있는데, 깊이에 따라 수온이 급격히 떨어지는 구간이다. 수백 미터 안에서 물은 표면의 편안한 온기에서 거의 어는점에 가까운 차가움으로 떨어질 수 있으며, 이 가파른 수온 기울기는 일종의 뚜껑처럼 작용하여 위쪽의 햇빛과 바람이 지배하는 세계를 그 아래의 영역과 갈라놓는다. 수온약층 아래에는 심해가 있다. 차갑고 어둡고 느리게 움직이며, 부피로 따지면 지구상 바닷물의 대부분을 담고 있고, 햇빛과 폭풍에서 멀리 떨어져 있으며 어느 한 주의 날씨와는 아무 상관 없는 시간 척도로 움직인다. 이 세 층을 염두에 두는 것이 필수적인데, 바다의 두 거대한 순환 체계가 각각 이 수직 구조의 서로 다른 부분에 속하기 때문이다.

바람이 만드는 강

상위 수백 미터의 해류는 결국 탁월풍에 의해 움직인다. 꾸준한 바람이 바다 표면을 끌고 지나가면 마찰이 물을 움직이게 하고, 지구가 자전하고 있기 때문에 움직이는 물은 직선으로 나아가지 않는다. 대신 물은 **환류(gyre)**라 불리는 거대한 회전 체계로 스스로를 조직하는데, 각 주요 해양 분지마다 하나씩 들어찬다. 이 환류는 북반구에서는 시계 방향으로, 남반구에서는 반시계 방향으로 돈다. 이 차이는 코리올리 효과, 즉 자전하는 행성 위에서 움직이는 물체가 겉보기상 휘어지는 현상이 부과한 것이다.

각 환류의 가장 극적인 특징은 그 서쪽 가장자리에 있다. 모든 분지의 서쪽에서는 흐름이 빠르고 좁고 따뜻한 강으로 응축되는데, 이를 *서안 경계류(Western Boundary Current)*라 부른다. 북대서양에서 이것이 바로 멕시코 만류로, 따뜻한 열대 물을 미국 동부 해안을 따라 북쪽으로 실어 나르다가 바다를 가로질러 바깥으로 굽어 나간다. 서안 경계류는 바다에서 가장 빠른 흐름에 속하며, 열대의 열을 극지방으로 옮기는 컨베이어 벨트다. 멕시코 만류 같은 표층 해류는 몇 달 만에 자기 분지를 한 바퀴 돌며, 수온약층 위쪽 상층 해양에 갇힌 활기차고 따뜻한 바람의 동력으로 도는 고리다.

심해의 천 년 컨베이어

바람이 움직이는 표층 아래에서는 두 번째이자 훨씬 더 느린 순환이 완전히 다른 원리로 작동한다. 이것이 **열염 순환(thermohaline circulation)**으로, 이를 통제하는 두 가지에서 이름을 따왔다. 열(thermo)과 소금(haline)이다. 표층 해류가 바람으로 움직이는 곳에서 심해는 밀도로 움직이며, 밀도는 물이 얼마나 차갑고 얼마나 짠지에 따라 정해진다. 차가운 물은 따뜻한 물보다 밀도가 높고, 짠 물은 담수보다 밀도가 높으므로, 가장 차갑고 가장 짠 물이 모든 것 중에서 가장 무겁고 가라앉으려는 경향이 있다.

이 가라앉음은 몇몇 특정한 장소에서 일어난다. 고위도 북대서양과 남극 주변 바다에서 표층수는 아래로 곤두박질칠 만큼 충분히 차갑고 짜게 되어, 위쪽의 가벼운 물 아래로 미끄러져 들어가며 심연을 가로지르는 긴 여정을 시작한다. 이 가라앉는 지역들에서 밀도 높은 물은 남쪽으로 흐른 다음 심해를 통해 지구를 돌아, 해저를 따라 기어가다가 천천히 용승하여, 대부분 인도양과 태평양 분지에서 다시 표면을 향해 솟아오른다. 흔히 거대한 해양 컨베이어라 불리는 이 완전한 고리는 한 바퀴를 도는 데 대략 천 년이 걸린다. 오늘 그린란드 앞바다에서 가라앉은 물은 서기 3000년이 훨씬 지나서야 태평양에서 다시 떠오를지도 모른다. 이것이 심해에 공기를 불어넣는 엔진으로, 대기의 그 무엇도 압도하는 시간 척도로 산소를 아래로 내려보내고 오래된 물을 위로 올린다.

두 순환, 하나의 바닷물

두 체계를 나란히 놓아 보면 도움이 되는데, 그것들은 바로 그 똑같은 물을 공유하면서도 완전히 다른 규칙을 따르기 때문이다. 표층 해류는 바람이 움직이고 따뜻하며 빠르고, 몇 달 만에 분지를 한 바퀴 돈다. 심층 해류는 밀도가 움직이고 차가우며 느리고, 대략 천 년 만에 지구를 한 바퀴 돈다. 하나는 빠르고 얕고 바람에 날리는 바다의 표피이고, 다른 하나는 광대하고 느긋하며 밀도로 정렬된 그 내부다. 수온약층은 그 둘 사이의 경계로, 따뜻하고 바람이 움직이는 층이 차가운 심층 덩어리 위에 올라타도록 유지하는 온도의 계단이다.

그 둘은 서로 독립적이지 않다. 표층 해류는 열과 소금을 심층수가 형성되는 고위도 지역으로 실어 날라 가라앉음의 조건을 갖추도록 돕고, 심층의 용승은 결국 물을 표면으로 되돌려 바람이 다시 그것을 붙잡을 수 있게 한다. 둘은 함께 하나로 연결된 기계를 이루지만, 바다를 이해한다는 것은 언제나 그 둘 중 어느 쪽을 논하고 있는지 아는 것을 뜻한다. 그것들의 속도와 동력은 도저히 더 다를 수 없을 만큼 다르기 때문이다.

소금이 보이는 것보다 더 중요한 이유

바다의 염분은 정적인 사실로 다루기 쉽지만, 그것은 전체 체계의 으뜸가는 변수 가운데 하나다. 외해의 평균 염분은 약 3.5퍼센트로, 다시 말해 바닷물 1킬로그램마다 약 35그램의 녹은 소금이 들어 있다는 뜻이다. 그 수치는 어디서나 고정된 것이 아니다. 따뜻한 아열대 지역처럼 증발이 소금을 농축하는 곳에서는 올라가고, 비와 강과 녹는 얼음이 담수를 더해 희석하는 곳에서는 내려간다.

이 변동이 중요한 까닭은 염분이 수온과 함께 밀도를 통제하고, 밀도가 바로 심층 컨베이어를 움직이기 때문이다. 강한 증발을 통해서든 해빙이 얼 때 소금이 배제됨을 통해서든 더 짜게 된 바다의 한 구역은 더 밀도가 높아지고 가라앉기 쉬워진다. 이것이 바로 심층수의 형성이 고위도의 담수 균형에 민감한 이유다. 녹는 얼음에서 나온 다량의 담수 유입은 표층 염분을 충분히 낮춰 가라앉음을 늦출 수 있고, 그것을 통해 천 년에 걸친 순환 전체를 늦출 수 있다. 다시 말해 바다의 소금 함량은 수동적인 꼬리표가 아니라 지구의 열 분배를 다루는 능동적인 조절 다이얼이다.

태평양이 따뜻한 물을 맞바꿀 때

바다는 순환할 뿐 아니라 진동도 하는데, 가장 중대한 진동은 적도 태평양에 산다. 정상 상태에서 무역풍은 적도를 따라 동에서 서로 불어, 인도네시아와 서태평양 근처에 따뜻한 표층수를 거대한 못으로 쌓아 올리는 한편, 남아메리카 연안에서는 더 차가운 물이 솟아오른다. 2년에서 7년마다 이 배치가 무너진다. 따뜻한 위상과 차가운 위상 사이를 오가는 이 결합된 해양-대기 진동을 *엘니뇨 남방진동(El Niño-Southern Oscillation)*이라 부르며, 그 두 극단은 따뜻한 위상인 엘니뇨와 차가운 위상인 라니냐다.

엘니뇨 동안에는 무역풍이 약해지고, 따뜻한 못을 서쪽에 가두어 두던 바람의 둑이 무너지며, 따뜻한 물이 태평양을 가로질러 동쪽으로 되돌아 흐른다. 바다와 대기가 결합되어 있기 때문에 이 온기의 재분배는 상승하는 공기와 폭우가 일어나는 곳을 이동시켜, 인도네시아에서 페루까지 날씨를 교란하고 바깥으로 잔물결처럼 퍼져 나가 지구 상당 부분에 걸쳐 강수와 가뭄과 기온에 영향을 미친다. 세계의 몬순과 어장과 수확이 모두 그것을 느낀다. 엔소(ENSO)는 바다가 기후의 단순한 느린 배경이 아니라, 단 한 계절 안에 전 지구의 날씨를 재편할 수 있는 능동적인 행위자임을 가장 명확히 보여주는 증거다.

멕시코 만류의 선물이라는 신화

지리학에서 멕시코 만류가 홀로 서유럽을 따뜻하게 유지한다는 주장만큼 자신만만하게, 또는 그만큼 근거 없이 되풀이되는 발상은 거의 없다. 그 논리는 그럴듯하게 들린다. 열대에서 따뜻한 해류가 올라와 동대서양에 이르러 영국과 프랑스와 스칸디나비아를 부드럽게 데우며, 그래서 런던이 같은 위도의 뉴펀들랜드보다 온화하다는 것이다. 그 해류는 실제로 중요하고, 북대서양에 진짜 열을 전달하기도 하지만, 그것이 유럽의 온화한 겨울의 지배적인 원인은 아니다.

설명의 더 큰 부분은 대기에 있다. 탁월한 편서풍이 따뜻한 바다 표면을 가로질러 불며 그 열을 받아들여 그 온기를 대륙으로 실어 나른다. 그러한 육지를 향한 편서풍이 없다면 저장된 바다의 열은 유럽의 기온을 위해 훨씬 적은 일을 할 것이며, 세밀한 연구들은 서유럽과 동북아메리카 사이의 대비 가운데 많은 부분을 그 해류만이 아니라 바람의 배치와 대기가 열을 재분배하는 방식에 돌린다. 이것은 유용한 교정인데, 바다와 대기가 결합된 한 쌍으로 작동함을 보여주기 때문이다. 어느 쪽도 혼자서 기후를 움직이지 않으며, 대륙 전체의 온화한 겨울을 단 하나의 해류 덕으로 돌리는 것은 하나의 부품을 기계 전체로 착각하는 일이다.

왜 바다가 곧 기후 체계인가

한 걸음 물러서면, 바다가 지구의 기후 조절 장치라 불릴 자격이 있는 이유가 분명해진다. 바다는 1971년 이래 온실가스가 가둔 추가 열의 90퍼센트 이상을 담고 있으며, 지구 온난화 에너지의 압도적 대부분을 그 광대한 물의 부피 속으로 흡수한다. 또한 바다는 기후 체계의 다른 어떤 부분도 따라올 수 없는 규모로 위도 사이에서 열을 옮기며, 표층 환류를 통해 열대의 온기를 극지방으로 나르고 심층 컨베이어의 느린 휘저음을 통해 그것을 재분배한다.

이것이 바로 모리가 1855년 항해 일지가 가득한 책상에서 세운 학문, 물리해양학이 기후 변화와 행성의 물 수지를 이해하기 위한 전제 조건인 이유다. 층과 해류와 소금과 진동은 대기를 완충하고 지역 기후를 정하며 우리가 지구에 더하고 있는 열을 저장하는 하나의 통합된 체계의 부분들이다. 기후가 어떻게 변할지를 묻는 것은, 상당 부분, 우리가 바다에 주고 있는 열과 담수를 바다가 어떻게 처리할지를 묻는 것이다.

핵심 요약

바다는 층을 이루고 순환하며 짜고, 기후 체계의 지배적인 구성 요소다. 그 외해의 물은 바람에 휘저어진 혼합층, 날카로운 수온약층, 그리고 부피의 대부분을 담은 차가운 심해로 구조화되어 있다. 멕시코 만류 같은 표층 해류는 바람이 움직이고 따뜻하며 빨라, 시계 방향과 반시계 방향의 환류로 조직되어 몇 달 만에 분지를 한 바퀴 도는 반면, 그 심층 열염 순환은 밀도가 움직이고 차가우며 느려, 북대서양과 남극 주변에서 차갑고 짠 물을 가라앉히고 지구를 한 바퀴 도는 데 대략 천 년이 걸린다. 평균 염분은 킬로그램당 약 35그램으로 흐르며, 심층 컨베이어를 움직이는 밀도를 정하는 데 도움을 주기에 중요하다. 엘니뇨 남방진동은 2년에서 7년마다 적도 태평양의 따뜻한 물을 재편하고 전 세계의 날씨를 교란한다. 유럽의 온화한 겨울은 멕시코 만류 하나보다 바다의 열을 육지로 실어 나르는 편서풍에 더 빚지고 있다. 그리고 바다가 최근 기후 가열의 90퍼센트 이상을 저장하고 그 무엇도 할 수 없는 방식으로 위도 사이에서 열을 옮기기에, 해류와 염분과 층을 이해하는 것은 기후 자체를 이해하기 위한 토대이며, 이는 매슈 모리가 1855년 바다의 자연지리학으로 세운 과학이다.