바람의 작용과 사막(코리올리 효과)

-먼지 폭풍: 재발할 수 있나?

1930년대 중반 미국의 대평원 지역 남부에 있는 많은 농부 가족들은 그들의 집과 땅을 포기하고 존 스타인벡이 그의 노벨상 수상작인 분노의 포도에서 기술한 것처럼 서쪽으로의 길고 힘든 여정을 떠났다. 이 이주의 제 일차적 요인은 심한 가뭄의 시작 때문이었다. 가뭄은 이동하는 모래와 먼지로 농작물을 파괴하고 이전에 비옥했던 농경지를 매몰시켰으며, 토지를 황폐화 시키는 큰 먼지 폭풍의 횟수를 증가시켰다.

 

결과적으로 남부 평원은 "먼지폭풍" 로 불리게 되었고, 우리는 이 시대를 "먼지 사발의 해"로 부르고 있다. 특히 1935년 3월 20일의 대규모 폭풍 시 공중에 부유된 퇴적물 구름은 캔자스의 위치타 상공 3.6km까지 달했다. 이 구름의 가장 하부 1.6km에 있는 먼지 양은 km3당 3천 5백만kg으로 추정되었다.

 

폭풍이 불던 날에 평평한 지붕으로부터 수집된 퇴적물의 양은 매 km2 당 28000kg의 모래입자 또는 공기의 가장 아래층에 있는 부유량의 0.5%에 해당되는 모래 입자들이 쌓였음을 보여주었다. 다음날인 3월 21일에는 많은 퇴적물이 동쪽으로 이동되어 한 낮인데도 뉴욕과 뉴잉글랜드에서 일시적으로 어두워지게 되었다.

 

수십년 동안 올바르지 못한 토지 사용으로 인해 먼지 사발을 형성하는 바람의 위력은 커졌다. 원래의 정착자들이 도착했을 때 초원 위에서 자라는 풀들은 바람의 침식으로부터 기름진 표토를 보호했다. 그러나 풀이 자라는 땅은 점차로 경작지로 바뀌고 풀 대신 계절적인 곡물경작으로 대체되어, 그 경작지는 일년 중 어느 시기는 맨땅으로 남게 되어 취약하게 되었다.

 

비록 오늘날에도 이 토지는 여전히 가뭄시에는 잠재적으로 위험하지만 개선된 영농법은 앞으로 닥칠지도 모를 비슷한 큰 재앙의 가능성을 감소시켰다.

 

-지질학적 힘으로서의 바람

화성은 건조하고, 바람이 많고, 먼지가 많은 행성이므로 만일 우리가 지구 대신 화성에 산다면, 이 책의 상당부분은 바람의 작용과 사막에 관한 주제에 주어졌을 것이다. 마리너 9호 우주선이 1971년 화성에 접근했을 때, 예를 들면, 대규모의 먼지 폭풍이 행성의 많은 부분을 둘러쌌고 수개월 동안 약해지지 않고 계속되었다. 이 마리너 비행 이후 이어진 바이킹 호가 찍은 사진은 바람의 작용에 의해서 광범위하게 바뀐 화성표면을 보여주었다.

 

바람은 또한 지구에서 침식과 퇴적물 운반의 원인이기는 하나 그의 효과는 사람이 거의 살지 않는 사막 지역에서만 주로 관찰할 수 있다. 세게 인구의 대부분은 식물 분포로 인해 바람이 비효율적인 지질학적 힘이 되는 온대와 열대의 비교적 습윤지역에 살고 있다. 그럼에도 불구하고 이들 인구 거주 지역에서 조차도 과거의 사구의 산출과 광범위한 먼지 퇴적물은, 우리에게 바람은 과거의 대륙이 오늘날보다 더 건조했고 바람이 더 많았던 때에 지형을 형성하는 데 중요했음을 보여준다.

 

-지구의 바람체계

바람이 어떤 지역에서는 효율적인 지질학적 힘이나 다른 곳에서는 왜 그렇지 않은가를 이해하기 위해, 우리는 어떻게 지상풍이 대기의 전 지구적 순환과 관련되어 있는가를 알아볼 필요가 있다.

 

-대기의 순환

대기는 우리가 공기라고 부르는 기체의 혼합체로 되어 있다. 우리가 부드러운 미풍이나 강한 바람을 느낄 때마다 우리가 잘 알고 있는 것처럼 대기는 항상 움직이고 있다. 대기가 항상 움직인다는 기본 이유는 적도 부근의 단위 지표가 극지방 단위 지표보다 태양열을 더 받는다는 것이다.

 

이와 같이 차별적인 가열작용이 대류를 발생시킨다. 적도 부근의 가열된 공기는 팽창하여 가벼워져서 상승한다. 높이 올라가서 공기는 양극 지방으로 퍼져나간다. 상층 공기가 북쪽과 남쪽으로 이동함에 따라 점점 냉각되고 무거워져서 하강한다. 지표에 도달하자마자 이 차갑고 하강하는 공기는 다시 적도를 향해 흐르고 따뜻해져서 상승하며 대류적인 순환을 완성한다.

 

-코리올리 효과

만일 지구가 자전하지 않는다면, 대기의 대류순환은 단순히 적도에서 극으로 그리고 다시 극에서 적도로 일어날 것이다. 그러나 지구가 자전하고 그 자전은 대기와 해양에서 대류순환을 복잡하게 변화시킨다. 코리올리 효과 이런 효과를 처음으로 분석한 19세기 프랑스 수학자 가스파드-구수타브 드 코리올리를 따서 이름 지었다.

 

지구위의 관찰자에게 코리올리 효과는 자전하는 지구에 대해 자유롭게 이동하는 것(비행기, 미사일, 바람 같은 것)은 무엇이든지 움직이는 경로를 이탈하게 하여 방향을 바꾸게 하는 원인이 된다. 그것은 회전하는 회전목마 위에 친구랑 함께 있는 당신이 친구에게 공을 던지는 것과 같다.

 

코리올리 효과는 이동하는 물체가 북반구에서는 이동방향의 오른쪽으로 이탈하게 하며, 남반구에서는 왼쪽으로 이탈하게 한다. 코리올리 효과가 어떻게 작용하는 가를 이해하기 위해 적도에서 북쪽으로 흐르는 하나의 작은 공기덩이에 어떤 일이 일어났는가를 생각해보자.

 

지구와 대기는 동쪽으로 자전하기 때문에 북쪽으로 흐르는 공기 역시 동쪽으로 이동하게 된다. 지구자전으로 인한 동쪽 방향의 속력성분은 적도에서 1670km/h 이고고위도로 갈수록 자전으로 인한 동쪽방향의 속력성분은 점점 작아져서 북극에서는 0이 된다.

 

북쪽으로 이동하는 공기덩이는 지표에 고정되어 있지 않기 때문에 처음의 동쪽방향의 속도를 유지한다. 따라서 북쪽으로 이동하는 공기덩이가 점점 북쪽으로 감에 따라, 동쪽 방향의 속도는 바로 아래 지표의 동쪽 방향의 속도보다 빠르게 된다. 우주선에 있는 비행사에게 이 공기덩이는 직선적으로 흐르는 것처럼 보일 것이나, 지구의 자전 때문에 동쪽방향의 속도성분을 갖는 지상의 관측자에게는 공기덩이가 동쪽(즉 오른쪽)으로 편향되는 것처럼 보일 것이다. 편향되는 양은 이동하는 공기덩이의 속력과 위도의 함수로써 결정된다.

 

코리올리 효과는 적도와 극 사이의 공기의 단순한 흐름을 대상으로 구분한다(그림13.1). 그 결과는 북반구와 남반구에서 적도와 위도 약 30°사이에 놓여있는 대규모 순환 공기 세포가 형성된다. 이 저위도 세포에서 탁월풍은 북반구에서 북동풍인 반면(즉, 북동에서 남서쪽으로 분다), 남반구에서 그들은 남동풍이다. 이들 풍계는 무역풍이라 불리는데, 왜냐하면 바람이 주된 힘의 원천이었을 때, 그들 바람의 방향과 지속적인 흐름이 열대 바다를 가로질러 무역선을 운반했기 때문이다.

 

각각의 반구에서 두 번째의 순환 공기 세포는 저위도 세포의 극지방 쪽으로 위치하고 있다 이 두 번째 중위도 세포에서는 서풍이 우세하다(서쪽에서 불어옴). 이 세포에서 한랭하며 적도 쪽으로 흐르는 상층 공기는 양쪽 반구의 20-30°위도 부근에서 하강하고, 북쪽으로 이동하는 표층 공기는 고위도에서 상승하는데, 고위도에서 북쪽을 향해 부는 바람은 극지방으로부터 불어오는 밀도가 높고 한랭한 공기와 만난다.

 

세 번째 순환공기 세포는 극지방 위에 있다. 각각의 세포에서 한랭하고 건조한 상층공기는 극지방 부근에서 하강하여 극동풍이라 부르는 바람 체계로서 적도 방향으로 이동한다. 이 공기가 서서히 따뜻해져서 편서풍대와 만나면 그것은 극전선을 따라 상승하며 극을 향해 되돌아간다.

 

저위도 세포와 중위도 세포가 만나는 한랭한 상부 공기의 수렴은 따뜻한 공기만큼 습기를 포함할 수가 없어서, 이 찬 공기가 하강하는 곳에서 건조한 상태가 지표에서 형성된다. 결과적으로 북반구와 남반구 양쪽에서 많은 건조 공기는 위도 20°와 30°사이에 위치하게 된다. 대조적으로 적도 주위의 따뜻한 공기에 포함된 풍부한 습기는 공기가 상승함에 따라 응결되고 냉각되며 무게가 무거워져서 열대 강수로서 습기를 방출하는 구름을 형성한다.

그림 13.1 범지구적 바람 패턴 도시적으로 나타낸 지구 대기의 순환과 지상풍계. 따듯한 적도지대서 덥혀진 습윤공기는 대류에 의해 상승하여 많은 비를 내리는 구름을 형성한다. 20-30°의 위도에서 하강하는 한랭건조공기는 많은 세계적 대사막들이 놓여있는 아열대 고기압대를 형성한다.

 

 

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