전향력을 고려하면 저기압에서도 시계 방향으로 바람이 불어야 하는 거 아닌가요?

 

1. 의문의 요지

대기의 움직임을 분석할 때는 지구 자전으로 인한 전향력(코리올리 힘)을 고려하여야 한다. 북반구에서 전향력은 이동 방향의 오른쪽으로 작용하므로 고기압에서는 바람이 시계 방향으로 회전하며 불어나간다.

반대로 저기압에서는 바람이 시계 반대 방향으로 회전하며 모여들게 되는데, 공기가 시계 반대 방향으로 회전하려면 진행 방향의 왼쪽으로 힘을 받아야만 한다. 전향력은 오른쪽으로 작용하는데 왜 이런 일이 일어나는 걸까?

[출처: 미래엔]

 

2. 분석

전향력의 효과

[북반구에서 전향력은 이동방향의 오른쪽으로 작용한다.]

만일 북반구에서 움직이는 어떤 물체가 전향력만을 받으며 운동한다면, 물체는 항상 진행 방향의 오른쪽으로 힘을 받기 때문에 시계 방향으로 회전 운동하게 된다. 그러나 바람은 전향력만으로 부는 것이 아니다. 고기압과 저기압에서 공기가 이동하는 가장 근본적인 원인은 두 지역의 기압 차이에 의한 힘이라는 것을 항상 함께 생각해야 한다.

 

 

기압 경도력

기압 차이로 의해 대기에 작용하는 힘을 기압 경도력(pressure gradient force, PGF)이라고 한다. 기압 경도력은 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 작용하고, 이로 인해 바람은 고기압에서 저기압으로 불게 된다. 기압 경도력은 공간에서 기압 차이가 가장 커지는 방향으로 작용하므로, 항상 등압선에 수직인 방향으로 나타난다.

[전향력의 영향으로 북반구에서 공기는 등압선에 수직한 방향보다 오른쪽으로 치우쳐 움직인다.]

하지만 북반구에서 공기가 움직일 때는 전향력으로 인해 힘의 방향이 등압선에 수직하지 않고, 오른쪽으로 비스듬한 방향이 된다. 따라서 공기는 고기압에서 저기압으로 기압 경도력을 받아 움직이되, 전향력의 영향으로 고기압과 저기압의 중심을 잇는 직선 방향 보다 오른쪽으로 치우쳐서 움직이게 되는 것이다.

고기압 중심 부근의 공기 A, B는 기압 경도력과 전향력을 받으며 저기압 쪽으로 움직인다.

그림의 A와 B, 두 지점의 공기의 움직임을 생각해 보자. A와 B는 각각 기압경도력과 전향력의 효과가 합쳐져 고기압에서 저기압으로 이동하되, 고기압의 중심과 저기압의 중심을 잇는 직선 보다 오른쪽으로 치우쳐져 이동하게 된다.

만약, A와 B가 기압경도력이 없이 전향력만을 받아 움직인다면 두 공기는 각자 시계 방향 회전만을 할 뿐 중앙으로 모이지 않을 것이다. 하지만 실제로는 기압 경도력이 작용하며, 특히 기압 경도력은 저기압의 중심부로 갈수록 강해진다.

[A, B가 각각 기압 경도력 없이 전향력만을 받아 움직이면 중앙으로 모이지 않고 시계 방향으로 회전한다.]

 

경도풍(gradient wind)

대지와의 마찰에 영향을 받지 않는 상층부에서는, 공기가 저기압의 중심으로 빨려 들어가지 않고 등압선에 나란하게 회전 운동 하기도 하는데 이것이 바로 경도풍이다. 이때 저기압의 중심 방향으로 작용하는 기압 경도력과 그 반대 방향으로 작용하는 전향력의 차이가 구심력의 역할을 한다. 즉 저기압 부근에서 시계 반대 방향 회전을 일으키는 구심력은 전향력이 아닌 기압 경도력인 것이다.

[저기압 부근에서 시계 반대 방향 회전을 일으키는 구심력은 전향력이 아닌 기압 경도력이다.]

지표면 인근에서 부는 바람은 지표면과의 마찰이 바람에 영향을 주기 때문에 경도풍과는 달리 등압선에 나란하게 운동할 수 없고, 점점 저기압의 중심으로 빨려 들어가게 된다. 그렇지만 회전 방향에 대한 점에는 변함이 없다. 핵심은 저기압 부근에서 기압 경도력이 구심력의 역할을 한다는 것이다.

3. 결론

✅ 전향력으로 인해 공기는 ‘고기압과 저기압의 중심을 연결한 직선’보다 오른쪽으로 치우쳐져서 운동한다.
✅ 저기압에서 공기가 반시계 방향으로 회전하도록 하는 회전 운동의 구심력은 전향력이 아닌 ‘기압 경도력’이 제공한다.