지구에서 날씨(기상현상)가 나타나는 이유 - 열적 불균형 해소를 위한 대기와 해양의 순환

지구의 시스템을 만드는 핵심은 ‘순환’이라고 생각한다. 암석도 화성암 → 퇴적암 → 변성암 → 화성암의 순환을 반복하고, 대기도 수렴 → 저기압 → 상승 → 고기압 → 발산 → 수렴의 순환을 갖는다. 심지어 지구자체도 태양을 공전하면서 봄, 여름, 가을, 겨울의 순환을 한다. 대부분의 순환의 원동력이 되는 가장 큰 에너지원으로는 단연 ‘태양복사에너지’를 꼽을 것이다. 지구는 구형이기 때문에 적도와 극에서의 단위면적당 도달하는 태양복사에너지가 다르고 이로 인해 적도부근은 열의 과잉, 극지방은 열의 부족현상이 나타나 열이 적도에서 극으로 이동하면서 다양한 지구의 순환을 만들어낸다. 특히 열적 차이에 의한 요인은 대기와 해양의 순환에 막대한 영향을 끼치고, 계절의 변화, 육지분포, 더 나아가 세차운동은 이러한 순환의 과정을 더욱 복잡하게 만든다.
 

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적도와 극의 열적불균형
 
지구의 적도와 극에 도달하는 태양에너지를 생각해보자. 지구가 구형이기 때문에 태양에서 지구의 극까지의 거리는 태양에서 지구의 적도까지의 거리보다 멀 것이다. 하지만, 지구의 적도와 극의 거리차이는 고작 6400km로, 태양-지구거리 1억5000만km에 비하면 극히 미미한 수준이다. 따라서 태양과의 거리차이로 적도와 극의 온도차가 발생한다고 하기에는 무리가 있다.
 
그렇다면 적도와 극에서의 온도차이는 왜 발생할까? 이는 단위면적당 입사되는 태양에너지로 설명할 수 있다. 알다시피 지구는 공모양이다. 때문에 적도에서는 태양빛이 수직으로 입사하는 반면, 극에서는 태양빛이 비스듬하게 입사할 것이다. 이해가 되지 않는다면, 손전등을 길에 비춰보자.(그림1) 손전등을 바로 발밑에 비추면 아주 밝지만, 밝은 면적은 매우 좁다. 이것이 적도를 나타낸다. 이번에는 손전등을 발밑에서 점점 멀리 비스듬하게 비춰보자. 그렇다면 밝아지는 면적은 넓어지지만, 밝기는 약간 흐릿해 질 것이다.
 

 
이것은 극을 나타낸다고 생각하면 된다. 즉, 도달하는 빛의 양은 같은데, 고위도에서는 빛이 비스듬하게 들어와 저위도보다 넓은 면적을 비추기 때문에, 단위면적 당 태양에너지는 줄어들 것이다.
 
단위면적 당 도달하는 태양에너지가 줄어들면 온도가 낮아진다. 이 부분에 대한 이해를 돕기위해 돋보기를 예로 들어보자. (앞서 설명한 내용과 혼동할 수 있으니, 잠시 태양의 고도는 잊도록 하자.) 돋보기로 나뭇잎을 태워본 경험은 많이 있을 거라 생각한다. 돋보기를 통과하는 빛의 양은 언제나 동일하다. 돋보기를 멀리대면 옅고 넓은 원이 형성되고 아직은 나뭇잎이 탈 정도로 온도가 올라가진 않는다. 돋보기를 점차 나뭇잎에 가까이 대보자. 그러면 원은 점점 좁아지면서 밝아지고, 끝내 나뭇잎이 타는 온도에 도달하여 연기가 날 것이다. 즉, 원이 넓은때는 온도가 낮고, 원이 좁을때는 온도가 높다. 지구의 저위도와 고위도로 다시 돌아가면, 적도의 ‘원’이 극보다 더 좁기 때문에 온도가 더 높은 것이다.
 

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열적불균형의 해소
 
지구에서 이러한 요인으로 발생한 적도와 극의 온도차는 대기와 해양의 순환을 만들어 낸다. 지구는 태양에너지만 들어오는 것이 아니라 지구 스스로도 열을 우주로 방출한다. 이를 '지구복사에너지'라고 한다. 적도는 방출되는 지구복사에너지보다 입사되는 태양복사에너지가 더 크다. 반면, 극지방은 태양복사에너지보다 방출되는 지구복사에너지가 더 크다. 즉, 적도는 들어오는 에너지가 방출되는 에너지보다 크고, 극지방은 방출되는 에너지가 들어오는 에너지보다 더 크다. 이대로라면 적도의 온도는 계속해서 상승해야하고, 극지방의 온도는 계속해서 하강해야 한다. 하지만 실제로 그렇지 않다는 것은 확실하다. 지구 어느 곳에서나 연평균 온도는 거의 일정하게 유지된다. (인간의 활동에 의한 지구온난화현상을 배재한다면 말이다.) 왜 그럴까?
 
우리는 그에 대한 답을 지구의 순환시스템에서 찾을 수 있다. 지구 표면에서 움직일 수 있는 물질은 두 가지가 있다. 바로 공기와 물이다. 즉, 대기와 바다를 뜻한다. 대기와 바다는 지구를 순환하며 저위도의 남는 열을 고위도로 옮겨준다. 이렇게 열을 옮기면서 다양한 기상현상이 발생하는 것이다.