지구과학 고3 해수의 운동 심화

에크만 수송과 지형류

에크만 수송으로 해수가 편향되고 기압 경도력과 전향력의 균형으로 지형류가 형성됨을 이해한다.

바람이 끄는 표층 해수가 전향력에 의해 북반구에서는 바람 방향의 오른쪽으로 휘어 수송되고(에크만 수송), 그 결과 기울어진 해수면이 만든 수압 경도력과 전향력이 균형을 이루며 흐르는 해류가 지형류입니다.

바람이 부는 방향으로 물이 흐를 것 같지만, 실제 바다는 옆으로 비켜 갑니다. 그렇게 옆으로 쌓인 물이 언덕을 만들고, 물은 그 언덕을 곧장 굴러 내려가는 대신 언덕을 옆으로 감아 도는 길을 택합니다.

쉽게 말하면

바람이 해수면을 문지르면 표층 해수가 끌려갑니다. 그런데 움직이는 물에는 전향력(코리올리 힘)이 작용해 북반구에서는 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 휘게 만듭니다. 그래서 표층의 물은 바람 방향에서 오른쪽으로 비스듬히 흘러갑니다.

표층이 그 아래층을 마찰로 끌면 아래층도 움직이는데, 아래층 역시 전향력을 받아 더 오른쪽으로 휩니다. 깊이 내려갈수록 흐름의 방향이 조금씩 더 돌아가고 속력은 약해집니다. 이렇게 나선 계단처럼 방향이 도는 구조를 에크만 나선이라 하고, 마찰이 미치는 층 전체를 합한 평균적인 물의 이동을 에크만 수송이라고 합니다. 이 에크만 수송의 방향은 북반구에서 바람 방향의 오른쪽 직각(90°)입니다. 표층 한 겹만 보면 약 45° 오른쪽이지만, 층을 다 더하면 90°가 된다는 점이 핵심입니다. 바람이 부는 원리 자체는 기압과 바람과 같지만, 여기서는 그 결과가 물속에서 층층이 쌓인다는 점이 다릅니다.

에크만 수송이 물을 한쪽으로 계속 밀어 넣으면 그곳의 해수면이 조금 높아집니다. 아주 완만한 언덕이지만, 이 언덕 때문에 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 미는 힘, 즉 수압 경도력이 생깁니다. 물이 이 힘을 받아 움직이기 시작하면 곧바로 전향력이 작용해 방향을 틀고, 결국 수압 경도력과 전향력의 크기가 같고 방향이 반대인 상태에서 물이 등수압선에 나란히 흐르게 됩니다. 이 균형 상태의 흐름이 지형류입니다.

지형류는 아무렇게나 흐르는 것이 아니라 언덕을 등고선 따라 도는 흐름입니다. 북반구 아열대 해역에서 에크만 수송이 물을 중앙으로 모아 해수면이 볼록해지면, 지형류는 그 볼록한 곳을 시계 방향으로 감아 돕니다. 이것이 아열대 환류의 뼈대입니다. 반대로 에크만 수송이 물을 밀어내면 해수면이 낮아지고 깊은 곳의 물이 올라오는데, 이것이 용승과 침강입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

해안에서 부는 바람이 만드는 용승

북반구 해안을 따라 바람이 불면 에크만 수송은 바람의 오른쪽 90°로 물을 나릅니다. 그 방향이 바다 쪽이면 해안의 물이 빠져나가고, 빈자리를 채우려 깊은 곳의 차가운 물이 올라옵니다. 바람이 해안 쪽으로 부는 것도 아닌데 해안 수온이 뚝 떨어지는 이유가 여기 있습니다.
예시 2

해수면 언덕의 실제 규모

환류 중심의 해수면이 주변보다 볼록하다고 해도 눈으로 알아챌 수 있는 높이는 아닙니다. 아주 완만한 경사이지만, 수천 km에 걸쳐 꾸준히 작용하기 때문에 강력한 지형류를 유지하기에는 충분합니다.
예시 3

고기압 주변의 바람과 닮은 구조

대기에서 고기압 주위를 도는 바람도 기압 경도력과 전향력의 균형으로 설명됩니다. 지형류는 '기압' 자리에 '해수면 높이'가 들어간 바다판 지균풍입니다. 균형의 논리가 같으므로 대기에서 배운 것을 그대로 옮겨 쓸 수 있습니다.

자주 하는 오해

바람이 부는 방향으로 해수가 흘러간다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움서풍이 불면 표층 해수도 동쪽으로 이동한다

실제로는표층 해류는 북반구에서 바람 방향의 오른쪽 약 45°로 흐르고, 마찰층 전체의 평균 이동(에크만 수송)은 바람 방향의 오른쪽 90°입니다.

바람은 물을 밀어 주기만 할 뿐, 일단 움직이기 시작한 물은 전향력을 받아 계속 오른쪽으로 휘기 때문입니다. 깊이별로 방향이 조금씩 더 돌아가므로 '표층 45°'와 '전체 평균 90°'는 서로 다른 값이며, 문제에서 무엇을 묻는지 구분해야 합니다.

지형류가 해수면이 높은 곳에서 낮은 곳으로 곧장 흐른다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움물은 높은 데서 낮은 데로 흐르니 지형류도 언덕 아래로 내리흐른다

실제로는지형류는 언덕을 내려가는 대신 등수압선(해수면 등고선)에 나란히 흐릅니다.

물이 내리흐르기 시작하는 순간 전향력이 옆으로 밀어 방향을 틉니다. 결국 수압 경도력(언덕 아래로)과 전향력(그 반대로)이 정확히 맞서는 방향, 즉 두 힘에 모두 수직인 방향으로 흐르게 됩니다. '힘이 작용하면 그 방향으로 간다'는 직관이 회전하는 지구에서는 통하지 않습니다.