[펌] 제트 기류의 비밀

[무중 이승수]

제트 기류의 비밀 지구상의 중위도나 고위도 상공에는 아주 좁고 빠르게 움직이는 강풍대 가 존재한다. 소위 말하는 제트기류다. 보 통 대류권과 성층권의 경계가 되는 대류 권계면 부근(지상으로부터 7~12㎞ 정도 의 상공)에서 서쪽에서 동쪽으로 기류가 흐르는데, 지구를 둘러싼 몇 개의 가닥 형 태(때로는 이러한 가닥이 갈라지거나 두 개의 가닥이 합쳐지거나 분리된 모양을 가지는 경우도 있음)를 가진다. 이러한 제 트기류는 중위도 지방의 날씨 변화, 태풍 이나 저기압의 발달이나 진로, 이상기상 의 출현, 항공기의 운항 등과 많은 관련성 을 가지고 있기 때문에 기상학적으로 매 우 중요한 현상 중 하나에 속한다. 이번 호 에서는 이 제트기류가 무엇이고, 우리 생 활에는 어떤 영향을 주는지에 대하여 간 단히 살펴보고자 한다. 미 북동부 한파의 원인은 제트기류 지난 1월 상순경 미국 북동부 지역에서 는 기록적인 한파가 몰아치면서 20여 명 이 사망하였고, 항공기 5천여 편이 운행에 차질을 빚었다. 또한 북미지역에 거주하 는 약 1억4천만 명 정도가 한파를 겪은 것 으로 보도되었다. 3일 정도의 한파기간 중 5조 원 정도의 경제적 피해가 발생한 것으 로 추정되고 있다. 20여년 만에 나타난 것 으로 분석된 북미지역 한파는 일부지역에 영하 30도 이하의 최저기온을 기록하였고 체감온도는 영하 60도까지 도달한 것으로 알려지고 있다. 이에 뉴욕, 뉴저지, 위스콘 신, 일리노이 등 상당수의 주에서는 비상 사태를 선포하거나 휴교령을 내리기도 하 였다. 기상전문가들은 이러한 한파를 몰고 온 원인을 중고위도 지역의 종관적 규모 대 기 흐름을 지배하고 있는 제트기류에서 찾고 있다. 캐나다 북부에서 내려온 ‘극 소 용돌이’가 이례적으로 남하하면서 맨살이 5분 정도 한기에 노출되면 동상에 걸릴 정 도의 살인적 한파를 몰고 왔다는 것이다. 중고위도 지역에 위치하는 제트기류(극 제트라 불림)는 일반적으로 극지방의 거 대한 찬 공기 덩어리를 감싸 안은 채 일종 의 벨트 형태로 지구 둘레를 빠르게 회전 하면서 고위도 지역의 찬 공기를 가두어 두는 역할을 하고 있다. 그러나 이러한 벨 트가 일시적으로 느슨해지게 되면 찬 공 기가 저위도 지역으로 크게 남하하면서 극심한 한파와 폭설을 몰고 오게 되는 것 이다. 이번에 미국 북동부 지역 한파의 세 기가 최고조에 달했을 때 미국과 캐나다 의 경계에 위치한 나이애가라 폭포가 얼 정도였다고 하니 가히 한파의 정도를 실 감할 수 있을 것 같다. 제트기류의 발견과 발생원인 그렇다면 지상으로부터 거의 1만 상공 에서 빠르게 흐르는 제트기류의 존재는 언 제부터 어떻게 알게 되었을까? 제트기류 와 관련된 기록은 1883년 8월 27일 인도네 752014 + 02 과학과 기술 시아의 크라카토아 화산폭발 당시에 발생한 거대한 화 산재의 흐름을 추적하면서부터 이루어졌다. 그 당시의 날씨를 관측하던 사람들이 화산의 영향을 수 년 동안 추 적하여 기록하면서 이를 ‘적도 상공의 스모크 흐름’ 현 상으로 표현하였다. 이후 1920년대에 들어서 일본의 기 상학자 와사부로 오이시는 후지산 근처의 관측소에서 제트기류를 발견했는데, 대기의 상층풍을 관측하는 기 구인 파이발(큰 풍선에 수소나 헬륨가스를 주입시켜 하 늘로 날려 보낸 후 풍선의 위치를 지상에서 계속 추적하 면서 대기 상공의 바람을 측정하는 장비) 관측을 통해 서 이루어졌다. 오이시의 관측에 대한 사실은 일본 이외 의 국가에서는 크게 알려지지는 못했다. 이후 1933년 미국의 비행사 윌리 포스트 및 1939년 독일의 기상학자 하인리히 세일코프에 의하여 제트기 류의 존재와 명칭에 대한 것들이 점차 명확해지기 시 작하였다. 그리고 제트기류의 실체가 본격적으로 드러 나고 그 특성이 이해되기 시작한 것은 제2차 세계대전 동안 태평양을 가로질러 비행하던 조종사들이 비행중 에 시속 160㎞를 능가하는 강한 서풍의 흐름을 반복적 으로 경험하고 이를 보고하면서부터였다. 제트기류의 길이는 보통 수천㎞, 폭은 수백㎞,, 두께는 4~5㎞ 이하 인 것으로 알려져 있다. 그렇다면 이러한 제트기류는 왜 생기는 것일까? 제트 기류가 나타나는 위치와 그 원인을 이해하기 위해서는 지구 대기의 대순환에 대한 몇 가지 기본적인 이해가 필 요하다. 지구의 대류권 내에 있는 공기는 열적으로 불균 등한 분포를 보이고 있는데, 이러한 열적 에너지 불균형 상태를 평형 상태로 되돌리기 위해 대기는 운동을 통해 둥근 모양의 자전하는 지구 위에서 끊임없이 움직이고 있다(지구의 자전은 전향력의 원인으로 작용하며 북반 구에서 대기의 운동 방향에 대해 우측으로 편향시키는 역할을 함). 이러한 공기의 움직임과 흐름은 각 지역 간 의 기압차에 의한 바람으로 나타나게 된다. 열적 에너지의 불균형은 위도에 따라 특히 심한데 적 도를 포함하는 저위도 지방에서는 태양으로부터 많은 에너지를 받는 반면에 외계로 나가는 에너지는 상대적 으로 적기 때문에 항상 에너지 과잉이 일어나고 극을 중심으로 하는 고위도 지방에서는 적도와는 반대로 에 너지 부족 상태가 항상 존재하게 된다. 따라서 저위도 의 과잉 에너지를 고위도로 옮겨서 채우기 위한 과정 이 필요한데 대기와 해양의 순환을 통해 에너지 수송 의 형태로 이루어지고 있다. 이러한 에너지 수송의 양 은 저위도에서 고위도로 가는 에너지 수송의 길목인 중위도 지역에서 가장 크다. 아열대 제트와 극제트 두 종류 존재 대기의 순환에 따른 제트기류의 발생과정을 좀 더 자 세히 살펴보면, 적도지역 부근에서 강한 일사에 의해 데워진 지표는 거대한 상승기류를 만들면서 상승하게 된다. 이러한 상승기류는 적도를 중심으로 지구를 둘러 싼 일종의 거대한 비구름 벨트의 형태를 띠게 되는데 보통 열대수렴대, 영어로는 ITCZ(Intertropical Convergence Zone)로 불린다. 이렇게 상승한 공기는 대류권과 성층권의 경계인 대류권계면 부근에서 상승 을 멈추게 된다. 왜냐하면 성층권은 열적으로 안정한 구조를 유지하고 있기 때문에 대류권 하부에서 상승한 공기가 더 이상 상승할 수 없도록 막는 역할을 하고 있 기 때문이다. 성층권에 막힌 상승기류는 북쪽과 남쪽으 로 서로 나뉘어 각각 향하게 되는데 위도 30도 부근 상 공에 이르러서는 고위도 쪽에서 남하하는 찬 성질의 공기와 만나게 된다. 이들 두 개의 서로 다른 열적 성질 을 가지는 공기가 만나는 경계지점에 제트기류가 형성 되는데, 이를 아열대 제트(subtropical jet)라고 부른다. ▶▶ 지난 1월의 미국 북동부 지역에 발생한 한파 당시의 나이애가라 폭포 모습. 이러한 한파 발생은 제트기류와 연관성이 깊다. ▶▶ 중위도 지역 대류권계면 부근에 위치한 아열대 제트와 극 제트 76THE SCIENCE & TECHNOLOGY 한편 위도 30도 부근 상공에서 만나는 두 기류는 하 강하면서 아열대 고압대를 만들게 된다. 우리나라의 여 름철 날씨와 기후에 중요한 영향을 미치는 북태평양고 기압이 아열대 고압대의 대표적인 예로 볼 수 있다. 북 위 30도 부근의 아열대지역에서 지상으로 하강한 공기 는 다시 저위도와 고위도 쪽으로 각각 나뉘어 이동하 게 된다. 이와 같은 공기의 순환 패턴을 통해 적도와 위 도 30도 사이에는 열적인 직접순환의 형태를 띠는 거 대한 순환 세포가 만들어지게 되는데 이를 해들리 셀 (Hadley cell)이라고 한다. 아열대의 지상에서 고위도로 향하는 공기는 위도 60 도 부근에서 고위도에서부터 내려오는 매우 차가운 성 질의 공기와 만나게 되는데 이를 한대전선대라고 부른 다. 그리고 한대전선대의 대류권계면 부근 상공에서는 중위도지역의 공기와 고위도 지역의 공기가 접하는 경 계지역이 있는데 이곳에서 극 제트가 존재한다. 중위도 지역에서의 열적 간접 대류순환 세포를 페렐 셀, 그리 고 극을 포함한 고위도 지역에서의 열적 직접 대류순 환 세포를 폴라 셀이라고 한다. 위에서 언급한 바와 같이 제트 기류의 종류는 아열대 제트와 극 제트의 두 가지 종류가 있다. 보통 우리나라 의 겨울철과 봄가을의 날씨는 극 제트의 영향을 주로 받는다고 볼 수 있다. 제트 기류의 위치나 강도는 계절 이나 종관적인 여건에 따라 크게 변화한다. 한편으로는 제트 기류가 중위도 지역 날씨를 요동치게 만드는 경 우가 자주 발생하기도 한다. 태양의 적위가 일년을 주 기로 변화함에 따라 태양 고도와 일조시간이 위도에 따라 변하게 되는데 그에 따라 위도별로 일사량의 차 이가 생기게 된다. 이에 더해 육지와 해양, 그리고 눈이나 빙하로 덮인 극지방의 표면과 각 물질의 열적 성질에 따라 기온의 분 포가 지역별로 차이가 생긴다. 이러한 여러 가지 효과가 복합적으로 작용하여 ITCZ, 아열대 고기압, 한대전선, 아열대 및 극 제트의 위치와 강도가 연중 변하게 된다. 태양의 적위가 높아지게 되는 여름철에는 ITCZ와 아열 대고기압이 북반구 쪽으로 확장하여 북상하게 되고(해 들리 셀의 북상을 의미) 폴라 셀은 상대적으로 약화되 어 제트 기류의 위치는 고위도 쪽으로 위치하게 된다. 반면에 겨울철에는 폴라 셀이 크게 확장되고 해들리 셀 은 남하하면서 제트 기류의 위치도 남하하게 된다. 중요한 기상현상과 연관 우리나라를 중심으로 볼 때 대체로 한대 제트의 위치 는 겨울철에는 제주도 남쪽 멀리까지 처져서 위치하게 되고, 여름철에는 북한을 넘어 만주 부근까지 북상하여 위치하는 경우가 많다. 이와 같이 크게 보면 1년을 주 기로 제트 기류가 남북으로 오르내리면서 우리나라 주 변의 날씨를 변화무쌍하게 만드는 역할을 자주 한다. 특히 봄철에 아시아 대륙에서 불어오는 황사의 발생이 나 장거리 수송, 여름철 장마 전선의 발생과 발달 그리 고 그와 연관된 집중호우, 여름과 가을철 북상하는 태 풍의 전향과 우리나라 영향 여부, 늦가을과 겨울에 나 타나는 대륙 고기압의 확장으로 인한 한파, 우리나라 상공을 주기적으로 통과하면서 발달하는 이동성 고・저 기압의 진로와 발달 등 사회경제적으로 중요한 기상현 상들이 제트기류와 직간접적으로 연관되어 있다. 제트기류는 따뜻하거나(저위도의 공기) 찬 성질을 가진(고위도의 공기) 두 층의 공기가 서로 접해 있을 때 그 경계를 따라 부는 일종의 온도풍 성격을 가지고 있다. 이때 기류가 흐르는 방향의 오른쪽으로 따뜻한 공기가 위치하게 된다. 또한 서로 다른 열적 성질을 가 진 두 층 사이의 온도차가 클수록 제트기류의 세기는 COLUMN 기상이야기 ▶▶ 1 제트기류는 지구 둘레를 감싸는 형태로 서에서 동으로 부는데, 제트기류가 남북 방향으로 심하게 요동칠 경우 이상기상 현상이 나타날 가능성이 높아진다. 2 수치모델을 통하여 모의된 극 제트의 모습. 그림에서 분홍색이 짙을수록 제트 기류가 강한 지역이다. 3 미국 북동부지역 한파 발생 당시의 제트기류 형태. 캐나 다 부근으로 강한 저기압성 소용돌이(polar vortex) 흐름을 볼 수 있다. 4 미국 북동부지역 한파 당시 우리나라 부근의 기류 이동 모습. 대체로 동서 방향으로 완 만한 흐름을 보이고 있고, 극 제트기류는 제주도 남쪽에 걸쳐 있음을 알 수 있다. 1 2 3 4 772014 + 02 과학과 기술 더욱 커지게 된다. 우리나라 부근의 중위도 지역 상공 을 지나는 제트 기류를 예로 들면 흐름의 방향은 서쪽 에서 동쪽으로 불게 되고 제트기류가 흐르는 방향의 우측인 남쪽으로는 따뜻한 공기가 위치하고 그 반대편 인 왼쪽으로는 찬 공기가 위치하게 된다. 그리고 이러 한 제트기류의 남쪽과 북쪽에 위치한 공기 덩이의 기 온차가 클수록 제트기류의 세기는 더 커지게 된다. 제트기류의 위치(특히 남하나 북상 등 남북 방향으 로의 위치가 중요)나 강도는 기본적으로 일기현상에 미치는 영향에서 고려돼야 할 사항이지만 이에 못지않 게 중요한 것이 제트기류의 모양이다. 이는 제트기류라 고 하는 강풍속의 다발이 일자 모양의 직선처럼 단순 한 모양을 가질 경우에는 특이한 기상현상이 나타날 가능성은 높지 않다. 그리고 이때는 동서 방향으로 기 류의 이동속도가 빨라 어떤 현상이 나타나더라도 며칠 지속되지 않고 쉽게 사라지는 경우가 많다. 문제는 제트기류의 모양이 남북으로 굽이치는 형태 (이러한 제트기류의 모양은 뱀이 기어가는 것과 비슷 하다고 하여 제트기류의 사행(蛇行)으로 부름)로 나타 날 때이다. 제트기류가 사행하게 되면 기류의 남북 간 이동이 활발해진다. 고위도에 위치한 차고 건조한 공기 가 남하하면서 저위도의 따뜻한 공기와 부딪치게 되고 저위도의 따뜻하고 습한 공기는 북상하면서 고위도의 찬 공기와 부딪치게 되는 것이다. 열역학적으로 불안정 한 상태의 두 공기는 경우에 따라 한파, 폭염, 집중호 우, 폭설 등과 같은 위험기상 현상을 유발할 수 있다. 또한 기류나 기압계 시스템의 동서 간 이동속도가 매 우 느리기 때문에 한번 현상이 나타나면 적어도 수일 동안 지속되는 경우가 많다. 그러면 위험현상의 강도는 크고 지속시간은 길기 때문에 그에 따른 사회・경제적 피해규모는 훨씬 더 커질 수 있다. 사회・경제적 측면으로 영향 끼쳐 제트기류는 기상현상을 통해 일상생활에 영향을 주 기도 하지만 이와 별도로 다양한 형태로 사회적 영향 을 주고 있다. 앞서 제트기류의 발견에 관한 내용에서 도 언급한 바와 같이 항공에 있어서 매우 중요한 현상 이다. 대륙 간을 동서로 이동하는 항공기의 장시간 비 행계획을 짤 때 제트기류의 위치와 강도가 중요한 변 수로 고려되는데, 이는 제트기류가 장거리 비행에 소요 되는 시간과 고가의 항공 유류비를 절약할 수 있는 매 우 중요한 변수이기 때문이다. 또한 항공기의 안전한 운항과 관계되는 청천난류(Clear Air Turbulence)도 제 트기류와 깊은 연관성을 가지고 있다. 항공기가 청천난 류를 만나게 되면 심한 요동과 함께 승객들은 난류에 따른 심한 멀미와 공포감을 느끼게 된다. 청천난류는 제트기류의 주요 특성 중 하나인 수평 및 연직 시어가 원인이 되어 발생하는 현상이다. 다른 한편으로 제트기류는 고고도 풍력발전을 위한 미래의 대체에너지 자원으로도 고려되고 있다. 일부의 연구 결과에 따르면 제트기류에 잠재된 풍력에너지의 1%만으로도 현재의 에너지 수요를 충족시킬 수 있을 만큼 충분한 것으로 추정되고 있다. 다만 이러한 기술 을 현실적으로 구현하기 위해서는 앞으로 10~20년 정 도의 기술개발 시간이 필요할 것으로 분석되고 있다. 우리나라처럼 북위 30~60도 사이에 위치한 중위도 국가들의 상공에는 연중 제트기류가 불고 있다. 계절에 따라 이러한 제트기류의 남북 간 위치, 고도, 강도, 길 이, 형태 등은 매우 다양한 모습으로 나타날 수 있다. 특히 제트기류는 기압계의 발달 정도나 이동속도 등에 직간접적으로 많은 영향을 주기 때문에 기상학적으로 나 사회・경제적 측면에서도 매우 중요한 현상 중 하나 이다. 그리고 앞으로 점점 더 더워지는 지구의 기후환 경 변화에 따라 제트기류가 어떤 형태로 변할 것인가 의 여부는 우리나라에서의 위험기상 발생이나 이상기 상 현상의 발생과도 깊은 연관성을 가질 가능성이 크 기 때문에 매우 중요한 측면이 있다. 점점 온난화하고 있는 지구의 기후환경 속에서 단기, 중기, 장기의 예보기간에 대한 기상예측의 불확실성이 더욱 커지고 있다. 이러한 불확실성 속에서 제트기류의 미래 변동성은 기상예측의 불확실성을 더욱 키우는 방 향으로 작용할 가능성이 높다. 제트기류를 포함하여 우 리나라 주변에서 나타나는 기상현상에 대한 충분한 연 구와 이해를 통해 예측의 불확실성을 줄일 필요가 있 다. 그리고 자연현상에 내재되어 있는 잠재적 특성을 잘 발굴하여 대체에너지 자원 등으로 적절하게 활용할 수 있는 다각적인 사고와 접근이 필요하다. 위험기상 현상으로부터 좀 더 자유롭고 안전한 사회를 만들기 위한 노력과 과정 속에 대기과학기술 분야의 발전 및 관련 전문가들의 적극적인 역할이 기대된다. 

http://www.kofst.or.kr/kofst/PDF/2014/n2s537/GGDCBE_2014_n2s537_74.pdf

[무중 이승수]

제트기류에 의해 북극에 에너지(한파)를 모아야 하는데, 힘이 약해져 위 에너지를 모으지 못하고 풀어져서 세계적으로 이상한파가 오는 듯합니다. 즉 세계가 한파를 겪는 이상으로 북극은 엉망이겟지요. 미국 동부는 10일전만 해도 영상20도로 벚꼿이 피고 짧은 팔을 입고 다녔는데, 지금은 80이상의 눈과 얼음 홍수를 겪는 군요. 그나마 우리나라가 기상이변을 덜 겪는 듯

[일광]

네 선생님 기온이상이 갈수록 심화되는거 같읍니다

[현월]

감사합니다

[바이칼호]

千祥雲集 萬事如意를 빕니다.