대기과학(Atmospheric Science) 문답 #6. Atmospheric Pressure and Wind
#1. 기압을 정의하시오. 기압에 대한 단위를 열거하시오. 표준 해면기압을 열거한 각 단위로 표기하시오.
대기가 물체에 작용하는 압력을 기압이라 한다. 기압은 등방적이다. 기압은 물체 상부의 대기 기둥이 그 물체를 누르는 압력이라고 생각할 수도 있다. 기압에 대한 단위로는 SI 단위인 Pa과 접두사를 붙인 hPa, mBar, mmHg, cmHg, atm등을 이용해왔다. 표준 해면기압 1atm은 1013.25hPa, 760mmHg, 76cmHg, 1013.25mBar로 표현할 수 있다.
#2. 고도에 따른 기압의 변화와 그 이유를 설명하시오.
고도가 증가함에 따라 기압은 지수함수적으로 감소하는데, 그 이유는 고도가 증가함에 따라 그 상부에 위치한 대기의 양이 적어지기 때문이다.
#3. 기압과 기온, 대기 밀도와의 관계를 서술하시오. (with 대기과학의 이상기체 상태방정식)
일반적으로 대기과학에서는 기압 $P$, 기온 $T$, 대기 밀도 $\rho$와 기체 상수 $R$이 다음의 관계를 가진다: $P = \rho RT$
이에 따르면, 일반적으로 기압은 대기 밀도가 일정한 경우에는 기온에 비례하고, 마찬가지로 기온이 일정한 경우 대기 밀도에 비례한다.
일반적으로 기온이 동일한 경우, 고기압에서의 대기 밀도가 저기압에서의 대기 밀도보다 높다. 또한, 기압이 동일한 온난 · 한랭 공기에 대하여, 한랭 공기의 대기 밀도가 온난 공기의 대기 밀도보다 높다.
#4. 국지 가열로 인한 기압차 발생, 이로 인한 국지 순환의 발생을 설명하시오.
지표의 일부가 국지적으로 가열되면 해당 부분의 대기 기둥이 팽창하며, 지표의 기압은 하강한다. 상대적으로 가열되지 않았거나 냉각된 주변부의 경우는 지표의 기압이 이 부분보다 상대적으로 높다. 따라서 지표의 이 (상대적으로) 차가운 지역에서 국지적으로 가열된 지역으로의 기압 경도가 발생하고, 해당 방향으로 지표에서 바람이 발생한다. 반면 지표의 일부가 가열된 지역에서의 대기 기둥의 팽창은 곧 그 지역에서의 상승 기류의 발달을 지시하며, 이에 따라 상층에서는 이 가열된 지역의 기압이 높아진다. 따라서 상층에서는 그렇지 못한 주변부, 상대적으로 기압이 낮은 주변부로 바람이 불며, 상대적으로 차가운 부분으로 대기가 수렴 및 하강함으로써 국지 순환이 완성되게 된다.
#5. 수은 기압계, 아네로이드 기압계, 자기 기압계를 설명하시오. 각각의 단점과 장점을 말하시오. 특히, 수은 기압계의 경우는 진공부가 진공인 이유를 기술하시오.
수은 기압계는 토리첼리가 발명한 기압계로서, 수은주기둥의 높이를 이용하여 기압을 측정하는 방식의 기압계이다. 기압이 높으면 수은주기둥의 높이가 올라가고, 기압이 낮으면 수은주기둥의 높이가 낮아지는 형식이다. 수은 기압계의 경우는 진공부가 존재하는데, 이 진공부를 만약 다른 기체로 채운다면 온도 등에 의하여 기체의 팽창과 수축이 발생하여 오차가 발생하므로 별도의 기체가 들어가지 않는 진공부로서 수은 기압계를 제작한다. 수은 기압계는 정확하게 기압을 측정할 수는 있으나, 수은이 인체에 유독한 중금속이라는 단점이 있다.
아네로이드 기압계는 기압 변화에 따른 진공통의 부피 변화를 증폭시켜서 이를 이용하여 기압을 지시하도록 만든 기압계이다. 일반적으로 수은 기압계와는 달리 인체에 유독한 물질을 사용하거나 하지는 않지만, 오차가 상대적으로 크다. 또한 기기가 녹이 스는 경우 그 오차는 한층 더 증가한다. (특히 진공통에 공기가 유입되는 경우는 더욱)
자기 기압계는 아네로이드 기압계 등의 증폭 장치에 눈금을 연결해두어서, 자동으로 기압을 시간에 따라 기록하도록 한 기압계를 일컫는다.
#6. 기압의 해면경정을 설명하시오. 왜 그러한 해면경정이 필요한가?
관측소나 어떠한 관측 지점에서 측정한 기압을 비교하기 위하여 표준 해수면으로 옮기는 (평균 해수면에서 측정한 것으로 변환하는) 것을 해면경정이라 한다. 이러한 해면경정을 하지 않는 경우, 서로 다른 고도에서 기압을 비교하기 때문에 어느 지역이 상대적으로 기압이 높고 낮은지를 명확히 구별하기 힘들다. 따라서 하나의 기준면에 해당하는 표준 해수면으로 모든 기압을 경정하여 지표 상에서의 기압을 비교하고 또한 일기도에 도식하여 기상을 분석하는 데에 활용한다.
#7. 등압선, 등고선을 정의하시오. 이들은 지상일기도와 상층일기도에서 어떻게 이용되는가?
일반적으로 지상 일기도 상에서는 지표 상에서 기압이 같은 지점을 연결하여 그린 선인 등압선을 이용하여 기압 분포를 표시하며, 상층 일기도 상에서는 어떤 기압을 가지고 있는 기압고도면을 등고선을 이용하여 그 높이를 표시함으로써 기압 분포를 표시한다.
일반적으로 바람은 지상 일기도에서는 등압선을 가로질러 불고 (마찰력의 존재로 인한 경각의 발생), 상층 일기도에서는 등고선에 평행하게 분다. (원형 경도풍과 지균풍)
#8. 기압마루와 기압골을 정의하시오.
상층 일기도 상에서, 주변에 비하여 기압이 높은 부분(지점)을 기압마루, 주변에 비하여 기압이 낮은 부분(지점)을 기압골이라 한다.
#9. 공기에 작용하는 주요한 힘 5가지를 열거하시오. 중력의 경우는 바람의 발생에 중요한 역할을 하는가?
공기에 작용하는 주요한 힘 5가지로는 중력, 기압경도력(Pressure Gradient Force, PGF), 코리올리 힘(Coliolis Force, 전향력, CF), 마찰력, 구심력 · 원심력이 있다.1개인적인 생각으로는 구심력 · 원심력은 실존하는 힘은 아니고 오히려 운동을 설명하기 위한 힘으로 이해하여야 하므로 주요한 힘으로 열거하기는 힘들어 보이기는 하지만…. 그러나 일반적으로 중력의 경우는 연직적인 공기의 정역학 평형 등에 주로 관여하는 힘으로, 대기의 수평 흐름인 바람의 발생에는 큰 역할을 하지는 못한다.
#10. 기압경도와 기압경도력을 정의하시오. 기압경도력의 방향과 크기를 설명하시오. 크기는 그 영향 인자를 모두 포함한 수식을 작성하여 설명하시오. 기압 경도력은 바람의 어떠한 요소에 영향을 주는 인자라고 이해될 수 있는가?
기압의 거리에 대한 기울기를 기압 경도로 정의할 수 있다. 즉, 기압 경도는 거리에 대한 기압 변화의 비율로 정의할 수 있다. 기압경도에 의하여 대기에 작용하는 힘을 기압경도력이라고 한다.
기압경도력은 일반적으로 고기압에서 저기압의 방향으로, 등압선(등고선)에 수직인 방향으로 작용한다. 그 크기는 단위 질량($m=1$)인 공기에 작용하는 기압경도력의 크기를 $P_H$라 쓰면 다음과 같다.
$P_H = {{{1}\over{\rho}}{{\Delta P}\over{\Delta x}}}$
위 수식에서 $\rho$는 공기의 밀도, $\Delta P$는 기압의 변화, $\Delta x$는 수평 이동 거리를 지시한다.
일반적으로 기압 경도력은 지상풍이든 상공풍이든 바람의 발생에 영향을 미치는 가장 첫 번째 힘이다. 기압 경도력이 없는 경우 바람은 발생하지 않는다. 기압 경도력은 주로 바람의 초기 운동(방향)과 풍속 결정에 영향을 가장 크게 미친다.
#11. 전향력(코리올리 힘)을 정의하고, 그 방향과 크기를 설명하시오. 크기는 그 영향 인자를 모두 포함한 수식을 작성하여 설명하시오. 전향력은 바람의 어떠한 요소에 영향을 주는 인자라고 이해될 수 있는가? 전향력과 공기 운동의 스케일 사이의 적용 관계에 대하여서도 부언하시오.
지구의 자전에 의하여 발생하는 관성력을 전향력이라 한다. 일반적으로, 전향력은 북반구의 경우는 물체의 속도 벡터에 우향 직각 방향으로, 남반구의 경우는 물체의 속도 벡터에 좌향 직각 방향으로 작용한다. 그 크기는 단위 질량($m=1$)인 공기에 작용하는 전향력의 크기를 $C$라 쓰면 다음과 같다.
$C = 2\Omega (\sin \phi) v$
위 수식에서 $\Omega$는 지구의 자전 각속력, $\phi$는 해당 지점의 위도이다. 흔히 코리올리 인자 $f := 2\Omega \sin \phi$로 정의해서, 위 수식을 $C = fv$로 쓰기도 한다.
전향력은 공기의 속도 벡터에 수직으로 작용하므로 오직 바람의 방향 변화에만 영향을 줄 수 있을 뿐이지, 속력을 바꾸지는 못한다. 따라서 전향력은 풍향에 큰 영향을 미치는 인자라고 이해될 수 있다. 일반적으로 전향력은 종관 규모 이상의 대기의 움직임에서 고려하고, 그렇지 않은 국지적인 경우에는 그 미치는 영향은 무시할 수 있을 정도로 작아 무시된다.
일반적으로 적도 부근에서 태풍이 발생하지 못하는 이유도 이 전향력의 크기로 설명할 수 있다. 전향력의 크기는 고위도로 갈수록 증가한다. (∵ $\sin \phi$에 비례하는 $C$) 따라서 저위도, 적도 부근에서는 전향력이 거의 존재하지 않아, 회전이 발생할 수가 없다. 따라서 태풍은 위도 5도 이상 정도에서 발생이 가능하다.
#12. 지균풍의 정의와 발생 과정을 설명하시오.
상공의 자유대기에서 등압선에 나란하게 부는 바람을 지균풍이라 한다. 등압선이 나란한 경우, 초기에 정지해 있던 공기는 기압 경도력에 의하여 고기압 -> 저기압 방향으로 가속된다. 그러나 공기가 가속됨에 따라, 공기는 전향력을 점차 더 크게 그 속도 벡터에 수직인 방향으로 받아 편향되게 되고, 이러한 편향은 기압경도력과 전향력이 힘의 평형을 이룰때까지 일어나게 된다. 그 결과 등압선과 나란한 지균풍이 불게 된다.
#13. 등압선 내지 등고선의 폭과 지균풍의 속력 사이의 관계를 설명하시오.
일반적으로 등압선이나 등고선의 폭이 좁을수록 기압 경도가 크므로, 기압 경도력이 크게 작용한다. 따라서 지균풍 평형을 이루기 위하여 필요한 전향력의 크기는 더 크고, 따라서 지균풍 평형을 이루었을 때 그 운동 속력이 더 빨라야 한다. 그러므로 등압선 내지 등고선의 폭이 좁을수록 지균풍의 속력은 크다.
#14. 경도풍의 정의와 발생 과정을 설명하시오. 고기압성 경도풍과 저기압성 경도풍을 비교하시오. 초지균풍이란, 아지균풍이란?
상공에서 원형으로 평행한 등압선에 나란하게 회전하는 형태의 바람을 (원형) 경도풍이라 한다. 이러한 원형으로 평행한 등압선이 있을 경우에, 공기가 가속된 이후 전향력에 의하여 편향되는 과정을 거쳐 전향력과 기압 경도력의 합력으로 인하여 원운동에 필요한 구심력을 구성하는 평형을 이루어 경도풍이 완성된다.
고기압성 경도풍은 원형 등압선의 중심이 고기압인 경우로, 이 경우 기압 경도력은 원심 방향으로 작용하므로, 구심 평형을 이루기 위해서는 상대적으로 큰 세기의 전향력이 필요하다. 반대로 저기압성 경도풍은 원형 등압선의 중심이 저기압인 경우로, 이 경우 기압 경도력은 구심 방향으로 작용하므로, 구심 평형을 이루기 위해서는 상대적으로 작은 세기의 전향력이 필요하다. 일반적으로 전향력의 크기는 위도와 지구의 자전 각속력이 변하지 않는 경우에는 오직 물체의 운동 속력에 비례하므로 고기압성 경도풍의 세기가 저기압성 경도풍의 세기보다 일반적으로 세다. 즉 풍속이 세다. 또한 같은 원인 분석의 형태로, 즉 기압 경도력과 평형을 이루기 위한 전향력의 크기를 비교함으로써, 등압선 내지 등고선의 간격이 같은 경우 고기압성 경도풍에서의 풍속은 지균풍의 풍속보다 빠르며, 저기압성 경도풍의 풍속은 지균풍의 풍속보다 느림을 확인할 수 있다. 따라서 고기압성 경도풍은 지균풍보다 빠른 바람이라는 의미에서 초지균풍이라 부를 수 있으며, 저기압성 경도풍은 지균풍보다 느린 바람이라는 의미에서 아지균풍이라 부를 수 있다.
즉, 초지균풍이나 아지균풍은 동일 등압 간격의 지균풍에 비하여 바람이 세게 부는지 / 약하게 부는지의 여부를 부르는 명칭으로 생각할 수 있다.
#15. 행성경계층(대기경계층)을 정의하고 자유 대기와 마찰 대기를 정의하시오. 대기경계층과 대기오염의 관계를 설명하고, 계절과 기온에 따른 대기경계층고의 변화에 대하여 설명하시오.
지표의 물질이나 변화가 영향을 미치는 대기고의 경계를 행성경계층(대기경계층)이라 한다. 즉, 대기경계층 이하의 고도의 대기는 지표의 변화에 영향을 받는다. 따라서, 대기경계층 이상 고도의 대기를 자유 대기라 부르고, 대기경계층 이하의 고도의 대기를 마찰 대기라고 부른다. 일반적으로 대기경계층고는 대기오염의 확산이나 집적과 관계된다. 대기경계층고가 높으면 지표에서 방출된 대기오염물질이 높은 고도까지 확산될 수 있으므로, 대기경계층고가 낮은 경우보다 대기 오염 물질의 농도가 감소하는 효과가 있다. 반면 대기경계층고는 계절과 기온에 따른 대기 기둥의 수축 · 팽창의 영향으로 변동하는데, 일반적으로 여름철이고 기온이 높은 경우 대기 기둥이 팽창하여 대기경계층고가 높아지는 효과가 난다.
#16. 지표의 마찰력이 바람에 미치는 효과를 설명하시오. 마찰력은 작용에서 어떠한 특성을 가지는가?
지표의 마찰력은 바람의 방향과 그 속력을 변동시키는 결과를 낳는다. 일반적으로 마찰력은 풍속 벡터의 정반대 방향으로 작용하며, 그 크기는 풍속에 비례하되 지표의 특성과 상황에 따라서도 달라진다. 예컨대 지형지물이나 나무 등이 많은 곳보다는 이런 것들이 없는 해양 등이나 평원 등에서 마찰력은 감소하는 경향성을 보인다. (또한 같은 이유로 일반적으로 육지의 경우가 해양의 경우보다 마찰력이 크다) 마찰력은 그 작용으로 지상풍이 등압선과 일정 각도(경각)을 이루며 불어 들어가거나 나오게 한다. 또한 지표는 고도가 높아질수록 감소한다. (지표로부터 먼 대기일수록 마찰력 영향은 적다)
#17. 평행한 등압선에서의 지상풍의 발생 형태와 과정을 설명하시오.
평행한 등압선에서는 등압선과 일정 각도를 이루며 바람이 불게 된다. (고기압에서 저기압 방향으로 가로지른다) 지균풍의 발달과 비슷한 과정으로서, 등압선에 의한 기압 경도력으로 처음 대기는 가속되는데, 이후 전향력과 마찰력이 각각 증가함에 따라 이들과 기압 경도력의 합력이 균형을 이룰 때까지 가속 및 편향되어 발생하게 된다. 일반적으로 마찰력의 크기가 더 클수록 경각, 즉 등압선과 풍벡터가 이루는 각은 더 커진다.
#18. 원형 등압선에서의 지상풍의 발생 형태와 과정을 설명하시오. 고기압성, 저기압성 모두에 대하여 설명하시오.
원형 등압선에서도 동일하게 등압선과 일정 각도를 이루며 바람이 불어 들어오거나 나가게 된다. (원형) 경도풍의 발달과 비슷한 과정으로서, 등압선에 의한 기압 경도력으로 처음 대기가 가속되는데, 이후 전향력과 마찰력이 각각 증가함에 따라 이들과 기압 경도력의 합력이 구심력을 이룰 때까지 가속 및 편향되어 발생하게 된다. 고기압성의 경우는 북반구 기준으로는 시계 방향으로 불어 나가며, 남반구는 반시계 방향으로 불어 나간다. 저기압성의 경우는 북반구는 반시계 방향으로 불어 들어오며, 남반구는 시계 방향으로 불어 들어온다. (전향력의 방향이 각 반구에서 반대인 덕분에)
지상 고기압 중심에서는 바람이 등압선을 가로질러 불어 나가므로, 그 중심에서는 하강 기류가 발달한다 (단열 압축으로 날씨 맑음), 반대로 지상 저기압 중심으로 바람은 등압선으로 가로질러 불어 들어와 모이므로, 그 중심에서는 상승 기류가 발달한다 (단열 팽창으로 날씨 흐림, 강수 가능성)
#19. 정역학 평형을 설명하시오.
공기는 연직적으로도 중력과 연직 기압 경도력이 균형을 이루는데, 이를 정역학 평형이라 한다. 기압은 고도에 따라 지수함수적으로 감소한다는 점을 생각해보면, 연직 상방으로 기압 경도력이 작용하므로 강력한 상층풍이 작용해야 하겠지만, 중력에 의하여 이들이 평형을 이루므로 거의 대부분 공기의 연직적 운동은 없거나 느리다. 정량적인 수식 관계로는 다음과 같이 표시 가능하다.
$\Delta P = \rho g \Delta z$
#20. 상층의 기압골 · 기압마루와 지상의 고 · 저기압계 사이의 상관관계를 설명하시오.
일반적으로 상층의 기압골 동쪽에서는 대기의 발산이, 기압골의 서쪽에서는 대기의 수렴이 일어난다. 따라서 기압골의 동쪽에서는 대기의 발산에 의하여 추가 대기를 하부로부터 빨아들이기 때문에 상승 기류가 발달하고, 이는 지상에 저기압계를 발생시킨다. 반대로, 기압골의 서쪽에서는 대기의 수렴에 의하여 대기가 하부로 수렴하므로 하강 기류가 발달하고, 이는 지상에 고기압계를 발생시킨다.
#20. 풍향 · 풍속의 측정에서 고전적 풍향계와 고전적 풍속계, 프로펠러식 풍향풍속계의 원리와 그 단점을 논하시오.
고전적 풍향계는 꼬리깃을 이용하여 바람이 불어오는 방향을 가리키도록 하며, 고전적 풍속계는 3개의 컵이 달린 회전차의 회전 각속력을 측정(rpm 등, 분당 회전수를 측정하기도 함)하여 풍속을 측정하며, 프로펠러식 풍향 풍속계는 항공기 형태의 입체적 풍향계의 앞쪽에 프로펠러를 달아 풍향과 풍속을 모두 측정할 수 있도록 했다. 그러나 프로펠러식 풍향풍속계의 경우에는 매우 약한 바람을 검출할 수 없고, 또한 너무 센 바람의 경우는 이에 상응하여 프로펠러의 회전 각속력이 증가하지 않기 때문에 측정에 있어 한계가 있다.
#21. 라디오존데를 이용하여서 어떻게 풍향과 풍속을 측정할 수 있는가?
라디오존데를 상층으로 띄우고, 라디오존데에 부착한 GPS 센서의 시간에 따른 위치 이동을 추적하면, 라디오존데의 특정 고도 부근에서의 시간에 따른 변위를 알 수 있고, 이것에 유일한 영향을 준 요소는 바람이므로 이것으로 풍향과 풍속을 측정할 수 있다.
#22. 수직측풍장비(Wind Profiler)에 대하여 설명하시오.
연직 상방으로 도플러 레이더를 여러 방향으로 쏘아 연직적인 대기의 이동정보, 즉 바람 정보(풍향 · 풍속)를 알아내는 장비를 수직측풍장비라 한다. 대략 지상 5km 고도까지 이러한 바람 정보를 얻을 수 있다.
#23. 탁월풍(주풍)을 정의하고, 이를 나타내는 도구로서의 바람장미를 설명하시오.
주어진 기간 동안 한 지역에서 가장 빈번하게(우세하게) 나타나는 풍향을 탁월풍(주풍)이라 한다. 보통 탁월풍을 결정할 때에는 특정 기간 동안에 관측된 풍향을 그 빈도에 비례하게 백분율로 길이를 주어 조합한 바람장미를 그려 결정하게 된다.
주석 및 참고문헌
- 1개인적인 생각으로는 구심력 · 원심력은 실존하는 힘은 아니고 오히려 운동을 설명하기 위한 힘으로 이해하여야 하므로 주요한 힘으로 열거하기는 힘들어 보이기는 하지만….
