기압은 연직 방향으로 분포해 있는 공기의 무게 때문에 나타난다. 고도가 높아질 수 록 공기의 양이 점점 줄어들기 때문에 기압은 감소한다. 공기는 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 움직이려고 한다. 그렇다면 공기는 아래에서 위로 움직이는 것일까? 공 기가 운동할 때 작용하는 힘을 알아보자.
1 정역학 평형과 기압 경도력
대류 활동이 활발한 곳을 제외하면 공기 덩어리의 상승 운동 규모는 약 1``cm/s로, 수평 바람의 풍속 규모인 10 m/s에 비해 무시할 만큼 작다. 이것은 공기의 상승 운 동이 수평 운동에 비해 현저히 약하다는 것을 뜻한다. 이러한 현상이 생기는 까닭은 대기도 해양에서와 같이 정역학 평형 상태에 있기 때문이다. 즉, 대기는 연직 아래로 작용하는 중력 g와 기압 차이에 의한 연직 위 방향의 힘이 평형을 이룬다. 이 관계를 나타낸 식을 정역학 방정식이라 하고, -1 q´DP Dz =g로 나타낼 수 있다. 이때, PÁ`>`Pª이고 zª`>`zÁ이면 DP=PÁ-Pª, Dz=zª-zÁ이다. 정역학 방정식을 이용하면 지표 부근에서 공기 덩어리가 1 km 상승할 때 나타나는 기압 변화를 추정할 수 있다. DP=-qgDz이므로 DP=-1.226 kg/mÜ _9.8 m/sÛ _1 km? 120 hPa이다. 이 식으로부터 지표 부근에서 1 hPa 기압 차이가 나타나는 고도의 차이는 약 8m임을 알 수 있다. 정역학 방정식에서 두 지점 간의 거리에 대한 기압 차이인 DP Dz를 기압 경도라 하고, 기압 경도가 발생했을 때 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 작용하는 힘을 기압 경도력이 라고 한다. 기압 경도력의 크기는 기압 경도에 비례하며 작용 방향은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 향한다. 공기 1`kg에 작용하는 기압 경도력의 크기는 -1 q ´DP Dz로, 기 압이 높은 하층에서 기압이 낮은 상층으로 작용한다. 동일한 원리로 수평 방향으로 기압 차이가 발생할 때에는 고기압에서 저기압으로 기압 경도력이 작용한다. 기압 경도력은 바람을 만드는 근본이 되는 힘이다. 만약 기압 경도력이 바람에 작용하는 유일한 힘이라면, 바람은 곧장 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로만 불 것이다. 하지만 실제 대기를 움직이는 힘에는 기압 경도력 외에도 전향 력, 마찰력 등이 있다.
2 전향력(코리올리 힘)
지구 자전으로 나타나는 겉보기 힘인 전향력은 해수뿐 아니라 큰 규모의 바람에도 작 용한다. 북반구에서 전향력은 바람이 부는 방향의 오른쪽 90ù 방향으로 작용하며, 남반 구에서는 왼쪽 90 ù 방향으로 작용한다. 해양에서와 동일하게 공기 1`kg당 전향력의 크 기는 2 vXsinu로 나타난다. 여기서 v는 바람의 속력, X은 지구 자전 각속도, u는 위도이다. 즉, 전향력은 풍속과 위도에 따라 그 값이 달라진다. 전향력은 적도를 제외한 전 지구에서 운동하는 물체에 작용하며, 그 크기는 풍속이 강할수록, 고위도로 갈수록 커진다. 하지만 일상생활에 서 전향력을 느끼는 일은 거의 없다. 예를 들어 전항력은 개수대에서 빠 져나가는 물의 회전 방향에 거의 영향을 미치지 않는다. 이것은 운동 규 모가 작기 때문이다. 운동장에서 흔히 볼 수 있는 먼지 소용돌이도 전향 력이 거의 작용하지 않기 때문에 시계 방향뿐만 아니라 시계 반대 방향으로도 회전한다. 반면에 태풍과 저기압에 동반된 바람은 전향력의 영 향을 크게 받기 때문에 북반구에서는 항상 시계 반대 방향으로 분다.
3 마찰력
지표 부근에서 부는 바람의 속력은 지면에 가까울수록 작아진다. 이것은 지면에 의해 발생하는 마찰력이 바람의 반대 방향으로 작용하 기 때문이다. 마찰력의 크기는 지면의 거칠기와 고도에 따라 달라진다. 지면의 거칠기는 해양보다는 육지에서, 평야 지대보다는 숲이 우거진 곳에서 크므로 마찰력이 크게 작용한다. 반면 고도가 높아질수록 지면의 영 향을 덜 받게 되므로 마찰력은 감소한다. 보통 마찰력은 고도 1`km 까지만 작용하는데, 마찰력이 미치는 층을 대기 경계층, 그 위의 층을 자유 대기라고 한다.
4 구심력
운동하는 물체의 궤적을 곡선으로 만드는 힘을 구심력이라고 한다. 공기 1`kg에 작용하는 구심력의 크기는 vÛ` r (v: 속력, r: 원의 반지름) 이다. 바람이 곡선으로 불 때 작용하는 구심력은 기압 경도력과 전향 력의 차이로 나타난다.
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