공기가 힘을 받아 장애물을 넘거나 주변 공기보다 따뜻하여 부력을 갖게 되면 연직 방향으로 움직일 수 있다는 것을 잘 알고 있다. 그렇다면 공기가 수평으로 움직이는 현상[소위 바람(wind)이라고 불리는 현상]의 원인은 무엇일까?
간단히 말하면 바람은 기압이 수평적으로 변하기 때문에 발생한다. 공기는 고기압 지역에서 저기압 지역으로 흐르게 된다. 아마 여러분들은 따뜻한 탄산 캔을 열었을 때 이러한 현상을 경험해 보았을 것이다. 캔을 열면 액체 중에 녹아 있던 기체상의 이산화탄소가 압력이 높은 캔 내부로부터 기압이 낮은 바깥쪽으로 빠져나오게 된다.
이처럼 바람은 기압의 불균형을 해소하기 위한 자연적인 현상이다.
기압이란 무엇인가
우리는 대기권의 가장 아래쪽에 살고 있는데, 해저 바닥에 서식하고 있는 동물들이 수압의 영향을 받고 있는 것처럼 우리 인간은 공기의 무게에 의한 압력을 받고 있다. 비록 우리는 공기에 의한 압력을 느끼지는 못하지만(급강하 또는 급상승하는 엘리베이터나 비행기 내부에 있는 경우를 제외하고) 대단히 중요한 요소이다.
대기압(atmospheric pressure), 즉 기압(air pressure)은 위에 높인 공기의 무게에 의하여 받는 단위 면적당의 힘으로 정의된다. 해수면의 평균 기압은 1,013.25 hPa이다. 조금 더 정확하게 말하자면 단면적이 1㎡(제곱미터)인 공기기둥의 무게를 해수면부터 대기권 최상단까지 합하게 되면 10,132.5 kg/㎡가 된다. 이것은 대략 단편적이 1㎠인 10m의 물의 높이에 해당한다.
지표면에 미치는 기압은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 크다. 예를 들면 작은 책상(가로 1m, 세로 50cm)의 표면에 작용하는 기압은 5,000kg을 넘는데, 이는 대략 50인승 버스의 무게에 해당한다.
이러한 공기의 무게에도 불구하고 책상이 부서지지 않는 이유는 무엇일까? 그 이유는 기압은 모든 방향으로 작용하기 때문이다. 즉, 위에서 아래로, 아래에서 위로, 또 옆으로. 이렇게 모든 방향으로 작용하는 기압의 합은 균형을 이루게 된다.
기압의 측정
기압을 나타낼 때 NWS(National Weather Service)는 뉴턴(N)이라는 단 위를 사용한다.* 평균적으로(해수면에서) 대기는 1㎡ 101,325N의 힘을 가하고 있다. 이러한 큰 숫자 대신에 NWS는 밀리바(milibar, mb)라는 단위를 사용하여 간편하게 기압을 나타내고 있는데, 이는 1㎡당 100N에 해당한다. 이것을 사용하면 해수면의 평균적인 기압은 1,013.25mb에 해당한다.** 아마 여러분들은 기압을 나타낼 때 '수은주의 높이'를 들어본 적이 있을 것이다. 이것은 이탈리아의 유명한 과학자인 갈릴레오의 제자인 토리첼리가 1643년에 수은기압계(mercury barometer)를 발명한 이후에 사용되고 있다. 토리첼리는 공기가 지표면을 누르고 있다는 사실을 정확하게 이해하고 있었다. 이러한 힘을 측정하기 위하여 한쪽이 막힌 유리관에 수은을 채우고 수은을 가득 채운 용기에 유리관을 거꾸로 세웠다. 토리첼리는 유리관의 수은이, 수은 위의 공기에 의한 압력이 중력과 균형을 이룰 때까지 아래쪽으로 내려가는 것을 관찰할 수 있었다. 즉, 대기 전체에 의한 기압은 유리관에 남아 있는 수은이 가하는 압력과 같다는 것을 의미한다.
토리첼리는 기압이 증가하게 되면 유리관의 수은이 올라간다는 것을 알 수 있었다. 이는 반대로 기압이 감소하게 되면 수은주의 높이도 감소한다는 것을 의미한다. 따라서 '수은주의 높이'는 기압의 척도가 되었다. 수은 기압계는 그 후에 더 정교한 기술로 제작되어 사용되었으며 현재에도 표준적인 기압계로 채택되고 있다. 기압은 기압계로 측정되기 때문에 종종 기압계 기압(barometric pressure)으로 불리기도 한다.
해수면의 평균 기압은 수은주 760mm에 해당한다. NWS는 일기도에 mb를 사용하여 기압을 나타내지만, 일반 대중에게는 수은주의 높이로 기압을 제공한다.
더 간편하고 휴대할 수 있는 기압계의 요구가 늘어남에 따라 아네로이드 기압계(aneroid barometer)가 개발되게 되었다(아네로이드는 액체가 없다는 뜻임). 수은 기둥을 사용하는 대신 아네로이드 기압계는 진공의 금속관을 사용한다. 진공관은 기압에 매우 민감한데, 기압이 증가하고 감소함에 따라 수축하거나 팽창하면서 형태가 바뀌게 된다.
가정에서 사용되는 아네로이드 기압계의 전면에는 맑음, 변화, 강우, 폭풍 등과 같은 표시가 되어 있다. 맑음은 고기압에 해당하고, 비는 저기압과 관련되어 있음을 나타낸다. 어떤 지역의 날씨를 예측함에 있어서는 현재의 기압보다는 과거 몇 시간의 기압 변화가 훨씬 더 중요하다. 기압 강하는 보통 구름이 낀 날씨와 강수의 가능성을 나타내며, 반면에 기압이 상승하는 것은 날씨가 맑아짐을 의미한다.
아네로이드 기압계의 또 다른 장점은 쉽게 기압을 기록할 수 있다는 점이다. 이 기록 장치는 기압기록계(barograph)라고 불리는데, 시간에 따른 기압의 연속적인 변화를 제공한다. 아네로이드 기압계는 비행기, 등산가, 지도 제작가들에게 매우 간편하게 높은 지대의 고도를 제공할 수 있는 중요한 기능도 가지고 있다.
* 1N은 1kg의 물체가 1㎨의 가속도를 갖도록 하는 힘에 해당한다.
** SI 시스템에서 기압의 표준 단위는 파스칼인데, 1㎡당 1N의 힘이 작용함을 나타낸다. 1 표준기압은 1,013.25 hPa에 해당한다.
지상일기도와 상층일기도 상의 기압의 표시
일기예보를 위해서 NWS는 특정한 지역과 시간의 대기 상태를 기호로 표시한 일기도를 생산한다. 일기도에는 다른 여러 가지 기상 자료와 함께 기압이 표시된다. 여기서는 기압과 이와 관련된 바람이 일기도에 어떻게 표출되는지를 알아보겠다.
지상일기도 상의 기압의 판독
지구 표면상에서 기압을 나타내기 위해서 기상학자들은 우선 많은 기상관측소에서 관측한 기압을 일기도 상에서 판독한다(일반적으로 mb로 표시됨). 관측점 기압(station pressure)은 관측지점의 고도를 감안하여 표준 고도의 기압으로 보정된다(기압은 고도에 따라 감소함을 기억하자). 이러한 보정 없이는 높은 지대의 데스벨리와 같은 바다보다 낮은 지대에서의 기압은 항상 고기압으로 나타나게 될 것이다.
고도에 따른 기압의 변화를 보정하기 위하여 관측된 기압은 해수면에서의 같은 값으로 환산된다. 일반적으로 지표에서의 기압은 10m 상승할 때마다 1mb씩 감소한다. 기온은 공기의 밀도(공기의 무게에도)에 영향을 미치기 때문에 고도 보정 과정에서는 기온도 같이 고려한다. 기온과 고도를 고려한 보정기압은 마치 관측이 해면 고도에서 이루어졌다고 가정했을 때의 값을 제공한다. 일반적으로 기온에 대한 보정은 상대적으로 작다.
해면 보정기압이 계산되면 mb 단위를 사용하여 일기도에 등압선(isobars: 기압이 같은 지점을 연결한 선)을 표시한다. 지상일기도에서의 기압은 996, 1000, 1004 등과 같이 4 hPa 간격으로 표시된다. 닫힌 등압선은 일반적으로 고기압 지역 또는 저기압 지역을 나타낸다. 고기압의 지역은 주변에 비하여 기압이 높음을 나타내며 파란색의 큰 기호 H로 표시되어 있고, 저기압의 지역은 주변에 비하여 기압이 낮고 붉은색의 큰 기호 L로 표시되어 있다.
일반적으로 고기압계는 안티사이클론(anticyclone)이라고도 불리는데, 이는 비교적 건조한 대기 조건과 관계되어 있다. 사이클론(cyclone) 또는 중위도 저기압(mid latitude cyclone)이라고 불리기도 하는 저기압계는 중위도 지역에서 자주 발생하는데, 열대지방에서 발생하는 열대 사이클론과는 근본적으로 다른 성질을 가지고 있다. (열대저기압은 발생 지역에 따라 허리케인 또는 태풍으로 불리기도 한다). 안티사이클론과는 대조적으로 중위도 저기압은 강한 바람과 비를 동반하는 날씨의 원인이 된다.
일반적으로 지표에서의 바람은, 어느 정도 등압선을 가로지르는 각도를 유지하면서 고기압 지역으로부터 저기압 지역으로 분다.
상층일기도
NWS는 지상일기도와 더불어 하루에 두 번 850-, 700-, 500-, 300-, 200-hPa 등압면의 일기도를 제공한다. 대기 상층의 기상 자료는 주로 라디오존데에 의하여 수집되는데, 라디오존데는 관측용으로 제작된 풍선에 의하여 대기 중으로 띄워진다. 대기의 관측 자료 중에서, 대략 5,600m 고도의 대기순환을 보여 주는 500 hPa 등압면의 자료는 특히 큰 관심의 대상이다. 500 hPa 등압면은 이를 기준으로 아래쪽과 위쪽에 거의 대기 총질량의 절반이 존재하기 때문이다. 500 hPa 등압면에서는 일기도에 나타난 기상 상태가 바람과 거의 같은 방향으로 따라 움직이는 경향이 있기 때문에 중요하다.
다른 상층일기도와 마찬가지로, 500 hPa 등압면일기도는 기압이 500 hPa이 되는 고도의 공간적 분포를 나타낸다. 이러한 등압면 고도장은, 고정된 지점의 기압의 공간적 분포를 보여주는 것이 아니며, 마치 등고선 지도와 유사한 점이 있다. 즉, 등치선은 산봉우리와 계곡과 같이 어떤 값의 기압(예: 500 hPa)이 나타나는 고도를 의미한다. 등고선과 등압선의 값은 단순한 관계식이 존재한다. 등치선의 값이 큰 곳은 작은 곳에 비하여 기압이 큰 것을 나타낸다. 즉, 등압면일기도에서 고도의 값이 큰 곳은 고기압을, 작은 곳은 저기압을 나타낸다.
등치선을 기압마루와 기압골이라는 둥그런 등압선으로 구성되어 있다. 기압마루(ridge)는 고기압의 부분을 연결한 선으로써, 저위도에서 고위도 방향으로 늘어서 있으며 건조하고 온난한 공기와 관련되어 있다. 반면에 기압골(trough)은 저기압의 부분을 연결한 선으로써 차고 습한 공기와 관련되어 있다.
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