대기와 해양 2강. 날씨의 원리
날씨는 태양이 지구를 고르게 데우지 못해서 생기는, 열을 재분배하려는 거대한 기계의 몸부림입니다.
풀고 시작
날씨의 엔진: 불균등 가열
적도는 왜 계속 뜨거워지기만 하지 않을까요? 적도 지방은 태양빛을 거의 수직으로 받고 극지방은 비스듬히 받습니다. 같은 양의 빛이 극에서는 넓은 면적에 퍼지므로, 단위 면적당 받는 에너지는 적도가 압도적으로 많습니다. 만약 열이 이동하지 않는다면 적도는 계속 뜨거워지고 극은 계속 차가워져야 하는데, 실제 온도는 안정되어 있죠. 남는 열이 적도에서 극으로 끊임없이 운반되고 있다는 뜻입니다. 이 운반을 대기와 해양이 나누어 맡습니다. 날씨란 이 열 수송 기계가 돌아가는 모습이고, 바람은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 공기가 흐르는 것입니다. 1강에서 본 기압 차이가 여기서 힘으로 작동합니다.
코리올리 효과와 대기 대순환
회전하는 지구 위에서는 공기가 직진하지 못합니다. 1835년 프랑스의 코리올리(Coriolis)가 정식화한 이 효과 때문에, 운동하는 물체는 북반구에서는 진행 방향의 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 휘어져 보입니다. 어떤 힘이 실제로 미는 것이 아니라, 관측자가 회전판 위에 있어서 생기는 겉보기 편향이죠.
이 편향이 단순한 열 순환을 세 개의 세포로 쪼갭니다. 적도에서 데워져 상승한 공기는 극까지 가지 못하고 위도 30도 부근에서 가라앉아 해들리 순환(Hadley cell)을 만들고, 중위도와 극지방에 각각 별도의 순환이 형성됩니다. 지상에서 부는 바람으로 보면, 열대에서는 동쪽에서 서쪽으로 치우친 무역풍이, 중위도에서는 서쪽에서 동쪽으로 부는 편서풍이 우세합니다. 대항해시대의 범선이 무역풍을 타고 대서양을 건넜고, 한국의 날씨가 대체로 서쪽에서 다가오는 것도 우리가 편서풍대에 있기 때문입니다. 위도 30도 부근의 하강 기류 지대에 사하라를 비롯한 대사막이 늘어서 있다는 것도 이 그림의 예측과 딱 맞아떨어집니다.
전선과 저기압: 공기 덩어리의 국경
중위도는 열대의 따뜻한 공기와 극의 찬 공기가 만나는 전장입니다. 성질이 다른 두 공기 덩어리는 잘 섞이지 않고 뚜렷한 경계면을 만드는데, 이것이 전선(front)입니다. 그런데 왜 하필 군사 용어일까요? 이 이름은 제1차 세계대전 직후 노르웨이 베르겐의 기상학자 비야크네스(Bjerknes) 부자와 동료들이 실제로 군사 용어인 전선에서 따와 붙인 것입니다. 그들은 중위도 저기압이 전선의 파동에서 태어나 발달하고 소멸하는 일생을 밝혀 근대 일기예보의 골격을 세웠습니다. 찬 공기가 따뜻한 공기 밑을 파고들면 한랭전선, 따뜻한 공기가 찬 공기 위로 타고 오르면 온난전선인데, 어느 쪽이든 따뜻한 공기가 들어 올려져 구름과 비가 만들어집니다. 저기압 중심으로는 공기가 모여 상승하므로 날씨가 흐리고, 고기압에서는 공기가 가라앉으므로 맑습니다.
태풍: 바다의 잠열로 도는 열기관
태풍은 전선 없이 열대 바다에서 태어나는 별개의 기계입니다. 연료는 무엇일까요? 바로 따뜻한 바닷물의 증발입니다. 대체로 해수면 온도가 26~27도 이상인 바다에서, 증발한 수증기가 상승하며 응결할 때 내놓는 잠열(latent heat)이 공기를 더 데워 상승을 강화하고, 기압이 더 떨어져 더 많은 수증기를 빨아들이는 되먹임이 돕니다. 여기에 코리올리 효과가 회전을 걸어 거대한 소용돌이가 완성되죠. 그래서 코리올리 효과가 0인 적도 바로 위에서는 태풍이 만들어지지 않습니다. 중심의 눈에서는 오히려 공기가 가라앉아 고요하고, 가장 사나운 바람과 비는 눈을 둘러싼 눈벽에 몰립니다. 태풍이 육지에 오르면 연료 공급이 끊겨 급격히 약해진다는 사실도 에너지원이 바다임을 잘 보여 줍니다.
일기예보와 카오스: 나비의 날갯짓
대기의 방정식을 다 알면 예보는 그저 계산 문제가 될 것 같습니다. 그런데 여기에 원리적 한계가 있습니다. 1963년 MIT의 기상학자 로렌즈(Lorenz)는 단순화한 대류 모형을 컴퓨터로 돌리다가 이상한 것을 발견합니다. 중간 결과를 반올림해 다시 입력했을 뿐인데, 얼마 뒤 완전히 다른 날씨가 계산된 것이죠. 방정식은 결정론적인데도 초기 조건의 미세한 차이가 지수적으로 증폭되는 것입니다. 그가 1972년 강연 제목으로 쓴 "브라질 나비의 날갯짓이 텍사스에 토네이도를 일으키는가"라는 물음이 나비효과라는 이름으로 굳었습니다. 관측은 언제나 유한한 정밀도이므로, 아무리 관측망과 컴퓨터가 좋아져도 상세한 일기예보에는 대략 2주 안팎의 이론적 상한이 있다고 평가됩니다. 현대 예보가 조금씩 다른 초기 조건으로 수십 번 계산해 확률로 말하는 앙상블 예보를 쓰는 이유가 여기에 있죠. 예보의 한계는 게으름이 아니라 자연의 성질입니다. 다만 카오스는 날씨의 문제이고, 긴 시간 평균인 기후의 예측 가능성은 별개의 문제라는 점을 4강에서 다룹니다.
인출 문제
생각해볼 질문 (정답 없음)
- 날씨는 2주 뒤도 못 맞히는데 기후는 수십 년 뒤를 말합니다. 이 둘이 모순되지 않으려면 "예측한다"는 말의 의미가 어떻게 달라야 할까요.