편서풍과 제트류

북반구에서 편서풍과 편서풍 제트가 발생하는 원리

1) 온대 지방의 특성

온대 지방은 한대 지방의 찬 기단과 열대 지방의 따뜻한 기단이 자주 접촉하는 지역입니다. 그래서 두 지역의 서로 성질이 다른 기단이 접촉하게 되지요.

성질이 서로 다른 기단이 접촉하게 되면 그 접촉면에서 아주 역동적인 현상들이 일어납니다. 밀도가 서로 다르기 때문에 상승 또는 하강 기류가 생기기도 하고 그 과정에서 응결이 일어나 구름이 형성되거나 강수가 발생하기도 합니다. 가장 중요한 것은 두 기단들 사이에 역학적 에너지가 교환된다는 것입니다. 차가워서 밀도가 큰 공기 덩이는 하강하고, 따뜻해서 밀도가 작은 공기덩이는 상승하는 것입니다.

2) 한대전선대

접촉면에서 찬 공기가 하강하고 따뜻한 공기가 상승하는 경우를 생각해보지요. 찬 공기는 위치 에너지가 감소하고 따뜻한 공기는 위치 에너지가 증가하겠지만, 여기서는 에너지의 이득이 생깁니다. 왜냐하면 찬 공기는 밀도가 크고 따뜻한 공기는 밀도가 작기 때문입니다. 그래서 [찬 공기가 방출한 위치에너지] > [따뜻한 공기가 흡수한 위치에너지]가 됩니다. 이 과정에서 에너지가 기단의 접촉면, 즉 전선면에 공급됩니다. 이 전선을 "한대전선"이라 부르고, 이 지역을 "한대전선대"라고 부릅니다.

3) 남북간 온도 기울기

열대 지방에서는 해들리 순환에 의해 에너지 수송이 일어나지만, 그 북쪽의 대기 대순환은 미약하여 에너지를 효율적으로 수송하지 못합니다. 그 결과 온대 지방을 사이에 두고 남북 간의 기온 차이가 심화됩니다. 이것을 해소하는 메카니즘이 여기서 설명하는 편서풍 그리고 그 파동입니다.

지구에서 저위도일수록 대류권계면이 더 높으므로 연직 방향의 등압면은 북쪽보다 남쪽에서 더 높습니다. 

그림 1. 남북간 연직 기압 분포

따라서, 같은 고도의 기압을 비교하면 북쪽보다 남쪽에서 더 높습니다. 그림에서 200m 높이의 기압을 보면 남쪽이 더 높음을 알 수 있습니다. 결과적으로, 기압 차이에 의해 생기는 힘인 기압경도력은 남에서 북으로 작용하는 것입니다.

4) 편서풍의 발생과 제트류

동일 고도에서 남북 간의 상층 등압선의 모습은 일반적으로 위도에 나란한 경향이 있습니다. 기압경도력은 등압선을 가로질러 공기를 남에서 북으로 이동시키려 하지만, 전향력은 지속적으로 바람의 방향을 진행 방향의 오른쪽으로 편향시킵니다. 그 결과 애초에 남에서 북으로 이동하기 시작했던 공기는 지속적으로 진행 방향 오른쪽으로 편향되다가 결국 서에서 동으로 불게 됩니다. 서에서 동으로 이동하는 공기 덩이의 경우, 북쪽으로 작용하는 기압경도력과 '진행방향(동쪽)의 오른쪽인 남쪽으로 작용하는 전향력'이 평형을 이루기 때문에 지속적으로 서에서 동으로 이동하게 됩니다.

그림 2. 기압경도력과 전향력의 평형에 의해 부는 바람(지균풍)

이러한 원리로 설명할 수 있는 바람을 지균풍이라고 합니다. 온대 지방 전체에 걸쳐 이러한 원리에 따라 부는 바람을 편서풍이라고 합니다. 남북 간의 온도 차이는 상층으로 올라갈수록 커지므로 편서풍의 풍속은 고도가 높을수록 커집니다. 급기야 대류권 상층에서는 제트류(Jet stream)라는 빠른 편서풍이 불게 됩니다.

* 참고 : 편서풍은 위도별 에너지 수지의 불균형으로 인한 대기 대순환의 하나로 간주되는 경우도 있습니다. 하지만, 대기 대순환은 열대 지방에서만 뚜렷하여 해들리 순환을 형성합니다. 온대 지방과 한대 지방, 특히 온대 지방에서는 대기 대순환이 무척 약하기 때문에 편서풍을 대기 대순환만으로 설명하기 어렵습니다. 편서풍의 주요 요인은 "온대 지방에서의 남북간의 심한 온도 기울기"로 설명해야 합니다.

푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/