지구과학)서안강화현상에 대해 알아보자 (사르가소해,쓰레기섬)

우리는 가끔 태평양에 엄청난 규모의 쓰레기섬이 존재하고 있다는 것을 들어본 분들이 있을 것입니다

한가지 의아한 점은 바다가 비록 유유자적한 정적인 상태를 유지하는 것 같지만 고위도와 저위도의 온도차이에 의해 우리 지구는

대기는 대기나름대로 해양은 해양 나름대로 열에너지를 저위도에서 고위도로 수송하며 흐르고 있다는 것을 알고 있기에

과연 해류와 대기대순환이 지속적으로 일어나는 태평양 한가운데에 도대체 왜 쓰레기 섬이 있을까 하며 궁금증이 들기도 합니다

오늘은 이러한 지적 호기심에 대한 탐구활동을 진행해보고자합니다.

사실 태평양 위의 쓰레기 섬은 서안 강화 현상과 깊은 관련이 있습니다

서안 강화현상은 우선

전향력, 대기대순환에 의한 표층해류 ,에크만수송

이라는 크게 3가지 물리,지구과학적인 요소에 의해 태평양 전지역에서 광범위적으로 발생하는 현상을 일컫습니다.

그럼먼저 전향력 에 대해 탐구하여 봅시다.

서안강화현상의 제1 요인 ----- 전향력

전향력은 흔히 Coriolis force (코리올리 효과)라고도 불리우는데요

이 힘은 지구의 자전운동과 깊은 관련이 있답니다

콜리올리 효과는 좀더 깊게 들어가서 각운동량 보존법칙에 대해 탐구해야하지만

세세한 요소를 하나씩 깊게 학습하면 개념의 넓고 전체적인 이해를 하는데 있어서 혼선과 학습의 비효율이 있을 수 있으므로

적정한 깊이까지 알아보도록 합시다.

이 힘은 유명한 물리학 석학 리처드 파인만 박사님의 지극히 개인적인 표현을 따라 pseudo force(가사의력)라고 부를 수 있습니다.

힘과 똑같은 모양과 형태를 가졌는데 진정한 의미의 힘은 아닌거죠 마찬가지로 반작용도 없습니다. 비슷한 종류의 힘으로 관성력이 있죠

관성력에는 반작용이 존재하지 않습니다. 즉, 힘과 똑같은 특징을 가지고 있지만 본질은 힘이 아닌 것입니다

지구과학 차원에서 이 힘의 간단한 정성적인 이해는 다음과 같습니다

지구는 구형이기 때문에 저위도 지역은 자전 회전축으로 부터 거리가 멀고 고위도 지역은 자전 회전축으로 부터 거리가 가까운 것은 직관적으로 알 수 있습니다.

더 나아가서 지구는 강체이며 강체회전을 하기 때문에 고위도든 저위도든 똑같은 각속도(단위시간당 얼마나 각이 변화하였나)로 운동을 하하게 됩니다 그런데 여기서 신기한 특징이 한가지 발생합니다. 같은 시간동안 같은 각을 이동했어도 저위도는 중심축으로 부터 거리가 멀기 때문에 더 많은 길이를 원을 그리며 이동하고 고위도는 상대적으로 짧은 길이를 원을 그리며 이동하게 됩니다.

쉽게말해 수학에서 중심각은 같으나 반지름의 차이로 인해 호의 길이가 다른 부채꼴을 연상하시면 되겠습니다.

시각적으로 위 그림과 같다고 이해하시면 됩니다 같은 시간동안 같은 각을 이동했어도 저위도는 반경이 길이서 먼 거리를 이동하게 되고

고위도는 반경이 작아서 짧은 거리를 이동했다고 보시면 됩니다.

전향력은 이와 같은 수학,물리적 현상에 착안하여 위도가 다른 지역으로 이동하는 운동을 하게 될때 이러한 차이에 의해 그 운동하는 물체가 오른쪽 혹은 왼쪽으로 휘어지는 듯한 혹은 휘어지는 현상을 일컫습니다.

즉, 위 그림처럼 반지름이 긴 저위도에서 반지름이 짧은 고위도로 가면서 반지름이 줄어드는 경우에는 줄어드는 반지름에 대해 속도가 변화하게 됩니다. 속도가 변한다는 것은 가속도가 작용하며 가속도가 작용한다는 것은 힘이라는 것에 의하므로(F=ma) 이러한 현상을 전향력이라는 Pseudo force에 의한 것으로 정의하는 것 입니다.

그래도 이해가 안되실때를 위해 좀더 정성적측면에서 설명을 드리겠습니다

우리는 지구와 똑같이 자전하고 있지만 지구랑 동시에 자전하는것이기에 우리가 항상 회전하고있다는 사실을 못느낀다 라는 말을 어디선가 들어보셨을 겁니다. 맞습니다 지구가 자전하고 우리도 똑같이 그 위에 있기에 회전하고 있어도 그것을 못느끼는 것입니다. 지구가 A속도 만큼 회전하고 있다면 우리도 엄연히 A의 속도로 회전운동하고 있는 것입니다. 그저 정지한것처럼 느낄뿐

옳습니다 우리가 만약 적도에서 고위도로 물체를 쏘아올릴때 마찬가지로 그 물체도 또한 우리와같이 적도에서의 지구자전과 같은 방향과 속도로 지구와 같이 이미 회전하고 있습니다(쉽게 말하면 적도에서 쏜다면 적도에서 지구의 자전속도와 같은 크기의 회전속도를 가진채 출발합니다). 또한번 말하지만 물체랑 똑같이 지구와 같이회전하고 있는 우리가 보기때문에 이 물체가 회전한다고 그저 인지하지 못하는 것입니다.

그런데 내가 쏘아올린 물체가 어느덧 고위도에 다다랐을때를 보면 고위도는 저위도에 비해 위에서 언급했듯 선속도가 작아 지면의 회전속도가 느린 곳입니다. 그런데 물체는 그 독립적인 특성상 초기 적도에서 운동을 시작할때 그때 적도에서의 회전속도를 그대로 유지하고 있습니다. 당연히 회전속도가 적도에 비해 느린 고위도를 생각해보게 되면

지금 물체의 회전속도(적도에서의 땅의회전속력과 같은)는 고위도 땅의 회전속도보다 훨씬 빠르므로 물체는 오른쪽으로 치우쳐지게 됩니다

정량적이고 정확한 해석을 필요로 하지 않는다면 그저 간단한 수준에서는

좀더 가시화 해서 북반구에서는 진행방향의 오른쪽, 남반구에서는 진행방향의 왼쪽으로 휘어지는 현상 정도로 받아들이시면 좋습니다.

물론 좀더 깊고 정확한 물리학,지구과학적인 측면에서는 이렇게 일편적으로 받아들이시면 절대 안됩니다.

위의 공식은 전향력의 크기이며

W=각속도

공집합기호=위도

입니다 각속도와 물체의 질량그리고 속도는 일정하므로 저위도일수록 전향력이약하고 고위도일수록 전향력이 강하다는 것을 알 수 있습니다

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서안강화현상의 제2 요인 ----- 대기대순환

이번에는 서안강화현상의 제2요인으로서 우리 지구의 대기의 순환에 대해서 알아보도록 합시다.

사실 지구는 모든 지역이 균일하게 태양으로 부터 열에너지를 받는 것이아니라 저위도지역은 상대적으로 많은 양의 에너지를 받고

고위도 지역으로 갈수록 태양으로부터 받는 열에너지가 극히 줄어듭니다 이로 인하여 에너지의 불균형이 발생합니다.

이러한 현상이 지속되면 고위도는 계속 추워지고 저위도는 계속 더워질 것입니다.

하지만 이럼에도 불구하고 우리 지구는 나름 살만한 온도를 유지하고 있습니다. 그 이유는 바다(해류)와 바람(대기)가 지속적으로 순환하기

때문에 이러한 열에너지를 지구 곳곳으로 순환시키는 것입니다. 그 중에서 해양은 해류를 통해 수송하고 (남극 순환 해류,북적도해류,쿠로시

오 해류, 북태평양 해류, 그외 심층 순환등) 대기는 위도 0~30도 지역에서 흐르는 해들리 순환(무역풍, 동에서 서로 붑니다) 45~60도에서 부는 페렐순환(편서풍, 서에서 동으로 붑니다) 극동풍 등

특히 편서풍의 경우 우리나라를 한때 괴롭혔던 미세먼지,황사의 원인이기도 합니다 중국쪽에서 계속 바람이 불기에 미세먼지나

황사가 이 바람을 타고 우리나라에 당도하게 됩니다

그런데 이러한 대기 대순환이 서안강화현상과 무슨 상관이 있을까요?? 바로 후에 얘기해 드릴 에크만 수송과 관련이 있는데요

북동무역풍의 경우 위에서 언급한 전향력 으로 인하여 45도 지역에서 적도를 향해 내려오는 바람이 전향력 및 지구의 자전에 의해 오른쪽으

로 꺾이면서 흐르게 됩니다. 그런데 한가지 재밌는 점은

바다의 경우 이러한 대기대순환에 의한 바람에 북반구에서는 오른쪽으로 45도 각도로 표층해류가 흐르는 경향이 있습니다.

이러한 특성에 의해 흐르는 해류가 북적도 해류이며 북태평양해류의 경우 같은 원리로 편서풍방향에 오른쪽 45도 방향으로 틀어진 방향

(즉, 서에서 동으로) 해류가 흐르게 됩니다 자세한 내용은 아래 그림을 보시면 되겠습니다.

바람의 방향에 오른쪽 45도 각도로 해류가 흐른다라는 사실과 위에서 언급한 편서풍,극동풍,무역풍 지도를 보면

지구의 표층해류에 대해 쉽게 이해하실 수 있을 것 입니다.

그리고 이 해류가 서안강화현상에서 왜 중요한지 바로 다음에 에크만 수송과 관련지어 설명 드리겠습니다

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서안강화현상의 제3 요인 ----- 에크만 수송

에크만 수송은 바로 위에 언급한 전향력과 매우 깊은 연관이 되어있습니다

바람에 의한 표층해류는 바람의 이동 방향에 45도 기울어져 진행하는 특성이 있는데 이때 이 표층해류와 연관하여 바로 밑에 단위 해수층에 전향력에 의해 해수가 오른쪽(북반구의 경우)로 이동하고 또 다음 미세한 해수층에 연쇄적으로 전향력에 의해 오른쪽(북반구의 경우)로 이동하며 이게 연쇄적으로 깊은 해수층까지 이어지는데 이를 평균적으로 계산해보면 바람의 방향에 수직 오른쪽(북반구)의 방향으로 해수가 이동하게 되는 현상이라고 일컫을 수 있게 됩니다

실제로 이러한 현상에 의해 해수가 지속적으로 밀려나듯이 이동하게 되며 이로인해 해수면의 차이가 발생하게 됩니다

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서안강화현상의 설명