바람은 왜 부는가: 기압, 전향력, 그리고 전 지구적 순환

1735년 여름, 카나리아 제도 서쪽 어딘가에서 한 척의 나무 범선이 꾸준히 부는 동풍을 받으며 서쪽으로 나아가고 있었다. 바람은 좀처럼 마음을 바꾸지 않는 듯했다. 그것은 두 세기 동안 이베리아와 네덜란드와 영국의 배들을 대서양 너머로 밀어 보낸 바로 그 무역풍, 범선 시대의 믿음직한 컨베이어 벨트였다. 선장이 항해 계획을 그 바람에 맞춰 세울 수 있었던 것은, 그 바람이 언제나 그곳에 있었고, 날이면 날마다 거의 같은 방향에서 늘 불어왔기 때문이다.

같은 해, 런던에서는 조지 해들리(George Hadley)라는 퀘이커교도 변호사이자 아마추어 자연철학자가 왕립학회 앞에 서서 짧은 논문을 낭독했다. 이 바람은 결코 우연한 날씨 현상이 아니라는 주장이었다. 그는 그것이 태양의 열로 움직이고 지구의 자전으로 휘어진, 행성 전체를 감싸는 거대한 순환의 지표면 부분이라고 했다. 그 한 척의 범선 뒤를 밀어 주던 산들바람은, 반구만 한 크기의 기계가 드러낸 눈에 보이는 한 가닥 실이었던 셈이다. 그렇다면 바람은 왜 부는 것이며, 어째서 그것이 그곳에서, 그런 방식으로 부는 것일까?

공기는 언제나 기압 경사면을 따라 흘러내린다

복잡한 요소들을 걷어 내면 바람은 단순한 것이다. 그것은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 공기다. 이 흐름을 일으키는 힘이 기압 경도력이며, 그것은 물이 비탈을 따라 흘러내리는 것과 똑같은 방식으로 작동한다. 경사가 가파를수록 움직임은 빨라진다. 두 대기 영역의 기압 차가 작은 곳에서는 바람이 부드럽고, 그 차가 크면서 짧은 거리 안에 몰려 있는 곳에서는 바람이 울부짖는다.

다음 질문은 그 기압 차가 애초에 어디에서 비롯되는가이고, 그 답은 햇빛이다. 태양은 지구를 고르지 않게 데운다. 적도는 한 해 내내 거의 정면으로 햇빛을 받지만, 극지방은 같은 햇살을 비스듬한 각도로, 그리고 훨씬 넓은 면적에 펴 바른 채 받는다. 지표면 근처에서 데워진 공기는 팽창하므로, 뜨거운 땅 위에 선 공기 기둥은 더 큰 높이를 차지하고, 차가운 땅 위에 선 기둥과는 다르게 아래를 누른다. 고르지 않은 가열은 지표면 1제곱미터마다 그 위에 선 공기 기둥을 서로 다르게 팽창시키고, 그 불균등한 팽창이 바람이 지우려고 애쓰는 기압 차를 만들어 낸다. 말하자면 태양은 끊임없이 탁자를 기울이고, 공기는 끊임없이 그 위를 미끄러진다.

행성의 자전은 움직이는 모든 것을 휘어 놓는다

기압이 이야기의 전부였다면, 바람은 고기압에서 저기압으로 곧장 직선으로 불었을 테고 문제는 그것으로 끝났을 것이다. 그러나 그렇지 않으며, 그 이유는 바람이 불어 가는 표면이 회전하고 있기 때문이다. 지구는 스물네 시간마다 한 번씩 동쪽으로 자전하며, 회전하는 구 위에서 표면을 자유롭게 가로질러 움직이는 물체는 모두 직선 경로에서 벗어나 휘어 보인다. 북반구에서는 운동 방향의 오른쪽으로 휘고, 남반구에서는 왼쪽으로 휜다.

이 겉보기 휘어짐이 **전향력(코리올리 효과)**이며, 1835년에 그 수학을 유도해 낸 프랑스 공학자이자 수학자 가스파르귀스타브 드 코리올리(Gaspard-Gustave de Coriolis)의 이름을 땄다. 바람을 이해하는 데 이 효과의 두 가지 특징이 중요하다. 첫째, 그 세기는 위도에 따라 달라진다. 적도에서는 0이고 극지방에서 최대에 이르므로, 같은 바람이라도 열대에서는 거의 휘어짐을 느끼지 않고 고위도에서는 강하게 느낀다. 둘째, 그것은 공기뿐 아니라 행성을 가로질러 지속적으로 자유롭게 움직이는 모든 것에 작용하며, 그래서 해류와 장거리 포탄의 궤적까지도 슬쩍 밀어낸다. 전향력이 없다면 바람은 고기압에서 저기압으로 곧장 달려갈 것이다. 그것이 있기에, 흐름은 우리가 실제로 지표면에서 관찰하는 거대한 곡선 패턴으로 비틀리고, 해들리가 떠올린 그 범선을 실어 나른 무역풍도 곧장 미는 힘이 아니라 휘어진 힘이 된다.

해들리 순환과 열대의 엔진

해들리의 공헌은 열대의 바람을 하나의 순환 고리로 본 것이다. 1735년 논문에서 그는 적도를 따라 일어나는 강렬한 태양 가열이 각 반구에서 하나의 거대한 대류 순환을 일으킨다고 제안했다. 따뜻하고 습한 공기가 적도를 따라 올라가 하층 대기의 꼭대기까지 오르고는, 극을 향해 퍼져 나간다. 이동하면서 그 공기는 식고 밀도가 높아지다가, 위도 30도쯤에서 다시 지표면을 향해 가라앉는다. 그곳에서 방향을 틀어 지면 가까이에서 적도 쪽으로 되돌아 흐르는데, 그렇게 흐르는 동안 지구의 자전이 그것을 서쪽으로 휘게 하여, 유럽 범선들을 대서양 너머로 밀어 준 꾸준한 동풍 무역풍이 만들어진다.

이 순환이 해들리 세포이며, 대기가 가진 것 가운데 한 장의 종이에 그려 낼 수 있는 열기관에 가장 가까운 것이다. 적도에서 열이 들어오고, 상승하고, 상층에서 극 쪽으로 흐르고, 아열대에서 가라앉고, 지표면에서 무역풍으로 휘어진 채 되돌아오는 흐름이다. 앞 절에서 다룬 두 힘이 그 안에서 한꺼번에 드러난다. 적도는 뜨겁고 지표 기압이 낮은 반면 아열대는 서늘하고 기압이 높으므로 기압 경도력이 공기를 들어 올려 순환시키고, 전향력은 되돌아오는 지표 흐름을 곧장 북쪽이나 남쪽으로 가는 흐름이 아니라 동풍으로 휘게 한다. 이 짝은 저 위 높은 곳에서도 다시 나타나는데, 하층 대기 꼭대기 근처의 가장 가파른 온도 대비가 행성에서 가장 빠르고 가장 집중된 바람을 일으키는 곳이다.

세 개의 세포, 세 개의 바람 벨트

해들리는 열대에 관해서는 옳았지만, 하나의 순환 고리만으로는 극까지 닿을 수 없다. 이 그림은 1856년 미국 기상학자 윌리엄 페렐(William Ferrel)이 각 반구에 두 개의 세포를 더 보태면서 완성되었다. 그 결과가 3세포 모형이다. 적도에서 약 30도까지 이어지는 해들리 세포, 약 30도에서 60도까지의 페렐 세포, 그리고 60도에서 90도까지의 극 세포다. 세포들은 한 세포의 하강 부분이 다음 세포의 상승 부분에 이어지며 톱니바퀴처럼 맞물려, 반구 전체가 적도에서 극까지 빈틈없이 채워진다.

각 세포는 그 아래 지표면에 특유의 바람을 찍어 놓는다. 해들리 세포 아래에는 동풍 무역풍이 불고, 페렐 세포 아래에는 중위도의 탁월편서풍이 불며, 극 세포 아래에는 극동풍이 분다. 이 세 벨트는 지역적 변덕이 아니라 전 지구적 순환이 지표면에 남긴 흔적이며, 그것을 만들어 내는 물리가 어디서나 같기 때문에 모든 대양과 대륙에서 거의 같은 자리에 나타난다. 이 모형은 어수선한 행성 위에 깔아 놓은 깔끔한 도식, 곧 하나의 이상화이지만, 공기가 세계를 따라 어떻게 움직이는지의 골격을 담아낸다.

왜 위도가 기후를 결정하는가

각 세포가 저마다의 지표면 바람과 기압 특성을 만들어 내기 때문에, 3세포 순환은 행성 전체의 기후를 적도에 나란한 띠들로 정리한다. 어떤 곳의 위도를 아는 것만으로도 그곳에 관한 다른 무엇을 알기 전에 그곳 날씨에 대해 놀랄 만큼 많은 것을 알 수 있는데, 그 이유는 머리 위에 자리한 세포에 있다.

두 개의 띠가 이 점을 생생히 보여 준다. 양 반구의 위도 30도 부근에서는 해들리 세포의 공기가 하강한다. 가라앉는 공기는 압축되면서 데워지고 건조해져 구름과 강수를 억누르며, 세계의 거대한 사막들이 줄지어 늘어선 곳이 바로 이 하강하는 가지들을 따라서다. 사하라, 아라비아의 사막들, 미국 남서부와 오스트레일리아의 사막들이 모두 30도 근처에 몰려 있다. 반면 60도 부근에서는 차가운 극 공기가 한대 전선을 따라 더 따뜻한 중위도 공기와 만나는데, 이 충돌 지대가 세계의 주요 폭풍 경로가 자리한 곳이며, 중위도에 변덕스럽고 거센 날씨를 안겨 주는 저기압계의 행렬을 만들어 낸다. 30도에는 사막, 60도에는 폭풍. 이 지리는 세포들로부터 따라 나온다.

무역풍과 탁월편서풍은 잠시 따로 짚어 둘 만한데, 둘을 혼동하는 것이 대기 지리 전체에서 가장 흔한 실수이기 때문이다. 둘 다 지표면 바람이지만 서로 다른 세포에 속하고, 반대 방향으로 불며, 매우 다른 두 해양 세계를 빚어냈다. 무역풍은 열대를 가로질러 동쪽에서 불고, 편서풍은 중위도를 가로질러 서쪽에서 분다. 범선들은 둘 다를 이용해, 저위도를 가로지르는 바깥쪽 항로에서는 동풍 무역풍을 타고 더 높은 위도의 돌아오는 구간에서는 편서풍을 붙잡았으며, 바로 그래서 범선 시대의 큰 무역 항로들은 대양을 가로지르는 직선이 아니라 거대한 고리를 그린다.

제트 기류와 깔끔한 모형의 한계

세포들에는 저 아래의 날씨를 빚어내는 고고도의 대응물도 있다. 세포들의 경계, 곧 고도 9~12킬로미터쯤의 대류권계면에 자리한 하층 대기 꼭대기 근처에서는 경계를 가로지르는 온도 대비가 가장 가파르고, 온도 경사가 가장 가파른 곳에서 바람은 가장 빠르다. 그 결과가 제트 기류, 곧 고속 편서풍의 좁은 띠들이다. 한대 제트는 60도 근처를, 아열대 제트는 30도 근처를 달리며, 둘 다 시속 200~400킬로미터에 이를 수 있다. 이들은 사실상 모든 중위도 기상계의 경로를 이끌며, 그래서 예보관들은 이들을 그토록 면밀히 지켜본다.

이 그림을 정직하게 지켜 주는 두 가지 주의가 있다. 첫째는 유명한 통념에 관한 것이다. 전향력은 분명 바람과 해류와 포탄을 휘게 하지만, 욕조 배수구나 변기 물이 어느 쪽으로 돌며 빠지는지를 결정하지는 않는다. 세면대 정도의 규모에서는 그 효과가 대야의 모양, 배수구의 형태, 그리고 물이 들어올 때 어떻게 움직이고 있었는지에 완전히 압도된다. 욕조 이야기가 살아남은 것은 동서남북 방향으로 정리한 판본이 기억하기 좋아서일 뿐, 규모를 줄였을 때도 물리가 들어맞기 때문이 아니다. 둘째 주의는 더 폭넓다. 3세포 모형은 사진이 아니라 이상화다. 실제 대기는 육지와 바다의 불규칙한 배치, 무역풍이 만나는 열대 수렴대의 계절에 따른 남북 이동, 육지와 바다가 데워지고 식는 속도 차이로 일어나는 몬순, 그리고 엘니뇨와 인도양 쌍극자처럼 전체 시스템을 조절하는 해마다의 진동으로 쪼개진다. 세포들은 날씨가 걸리는 골조이지, 날씨에 대한 완전한 설명은 아니다.

핵심 정리

바람은 기압 경도력의 작용으로 고기압에서 저기압으로 흐르는 공기이며, 이 힘이 존재하는 것은 태양이 지구를 고르지 않게 데우고 그 불균등한 가열이 곳에 따라 공기 기둥을 다르게 팽창시키기 때문이다. 그러면 회전하는 행성이 전향력을 통해 그 흐름을 휘게 하는데, 북반구에서는 오른쪽으로 남반구에서는 왼쪽으로, 적도에서는 0이고 극에서 가장 강하게 작용한다. 조지 해들리는 1735년에 열대의 순환 고리를 그려 냈고, 가스파르귀스타브 드 코리올리는 1835년에 휘어짐의 수학을 유도했으며, 윌리엄 페렐은 1856년에 3세포 그림을 완성하여, 각 반구에 해들리 세포와 페렐 세포와 극 세포를 부여했다. 이들은 무역풍, 탁월편서풍, 극동풍을 만들어 내고, 대류권계면 근처의 세포 경계를 따라 빠른 편서풍 제트 기류가 달린다. 이 띠들은 왜 사막이 30도 부근에 몰리고 폭풍 경로가 60도 부근에 자리하는지, 왜 무역풍과 편서풍이 반대 방향으로 부는지, 왜 위도가 그토록 강력한 기후 예측 인자인지를 설명한다. 그러나 이 모형은 육지와 바다, 이동하는 열대 수렴대, 몬순, 그리고 엘니뇨 같은 순환이 모두 복잡하게 얽어 놓는 하나의 이상화이며, 전설과는 달리 빠져나가는 세면대 물의 소용돌이를 좌우하지는 않는다.