기압과 그것의 일변화는 왜 중요한가? 기압의 변화는 바람의 변화를 가져오고, 바람은 기온과 습도를 변화시킨다. 간단히 말하면, 기압의 차이는 일기도에서 늘 보는 것과 같은 바람을 생성시키는데, 이러한 바람의 분포는 공간적으로 잘 구조화되어 있으며 매일매일의 날씨 변화의 원인이 된다. 따라서 기압의 변화를 잘 파악하는 것은 매우 중요한 일이다.
고도에 따른 기압의 변화도 매우 중요하지만, 기상학자들은 기압의 수평적 변화에도 큰 관심을 가지고 있다. 기압의 수평적 차이는 상대적으로 매우 작다. 대개 평균 해수면보다 30 hPa 이상 높은 경우나 60 hPa 이상 낮은 경우는 드물다. 종종 태풍과 같이 강한 폭풍의 경우에는 이 보다 훨씬 낮게 내려가기도 한다. 이 정도 작은 기압 차이만으로도 강한 바람을 충분히 생성시킬 수 있는 것이다.
기압을 변화시키는 네 가지 요인으로는, 고도, 기온, 습도, 공기의 이동을 들 수 있다.
고도에 따른 기압의 변화
스쿠버다이버가 물 위로 떠 오를 때 압력의 감소를 느끼는 것처럼, 우리는 지상에서 높이 올라갈수록 기압이 감소함을 느낀다. 공기의 밀도와 기압의 관계는 고도에 따른 기압 감소를 어느 정도 설명해 준다.
앞에서 언급한 것처럼, 평균 해수면에서, 1cm'당 공기의 총무게는 1.01325kg이다. 높이 올라갈수록 위에서 누르는 공기의 총무게는 작아지기 때문에 공기의 밀도는 감소한다. 따라서 이러한 밀도의 변화에 상응하는 식으로 기압은 고도에 따라 감소할 것이다.
밀도가 고도에 따라 감소하기 때문에, 고산 지역에서는 공기가 희박할 수밖에 없다. 이 때문에 셰르파(네팔의 원주민)를 제외하고는 에베레스트산에 오르는 등산가들은 보조 산소 탱크를 사용해야 한다. 보조 산소를 사용하는 경우에도 방향 감각 상실 등의 혼미한 상태를 흔히 경험하게 된다.
고도에 따른 기압의 감소는 물의 비등점(해면에서는 100℃)에도 영향을 미친다. 예를 들면 콜로라도주 덴버(고도 약 1.6km)에서는 물이 95℃에서 끓는다. 비등점 하강으로 인하여 비록 물이 샌디에이고보다 덴버에서 더 빨리 끓기는 하지만, 스파게티를 요리하는 데는 덴버가 더 오래 걸린다.
앞의 글에서 언급했던 기압이 고도에 따라 일정하게 감소하지는 않는다는 사실을 상기해 보자. 기압이 높은 지상에 가까울수록 감소 비율이 크고, 반대로 상공에서는 감소 비율이 낮다. 고도에 따른 기압의 정상적인 감소는 아래의 표준대기(standard atmosphere) 그림에 나와 있다. 표준대기는 기압(또한 기온과 밀도)의 이상적인 연직 분포를 제시해 주는데, 실제 대기의 평균적인 상태를 나타낸다.
지표면 가까이에서 기압은 고도 100m 상승하면 약 10 hPa 정도 감소한다. 또한 대체로 5km 올라가면 기압이 반으로 줄어든다. 따라 서, 5.6km 고도의 기압은 해면기압의 약 반으로 줄어들고, 11.2km에서는 약 1/4로 줄어든다. 상업용 항공기는 보통 10~12km 고도를 비행하는데, 여기서는 기압이 해면기압의 약 1/4밖에 되지 않는다.
기온에 따른 기압의 변화
기압 차이는 어떻게 발생하는 것일까? 이것을 이해하기 위하여 겨울철의 북부 캐나다를 생각해 보자. 눈으로 덮인 부분은 태양복사 에너지의 대부분을 대기 밖으로 반사시키는 반면 태양 입사 에너지의 양은 극히 작다. 차가운 얼음 표면은 대기를 냉각시키기 때문에 -34°C의 낮은 기온도 흔히 관측된다.
온도라는 것은 물질의 분자의 평균적 운동 상태를 나타내는 척도이다. 따라서 추운 캐나다 지방의 공기는 비교적 분자운동이 덜 활발한 공기 분자들로 이루어져 있는데, 이들은 온도가 높은 공기에 비해 분자 간의 거리가 가깝고 밀도가 크다. 밀도가 증가함에 따라서 지표면에 미치는 기압도 커지게 된다. 이 결과 캐나다로부터 미국 서부로 흘러드는 찬 공기는 밀도가 상당히 커지게 되는데, 이를 일기도에서는 고기압 (또는 간단히 H)으로 표시한다. 반대로, 여름의 남서 아메리카는 저기압(간단히 L로 표시)을 동반하는 고온의 날씨를 유지한다. 따라서 다른 조건이 모두 같다면, 차가운 공기는 지상의 고기압, 따뜻한 공기는 저기압과 각각 관련되어 있다. 이러한 기압의 차이는 공기 이동의 원인이 되는 기압경도력을 생성시킨다. 공기는 고기압 지역으로부터 저기압 지역으로 흐르게 된다.
찬 공기와 따뜻한 공기의 또 다른 중요한 차이점은, 찬 공기(밀도가 큰 공기)의 경우 따뜻한 공기(밀도가 작은 공기)에 비하여 고도에 따른 기압 감소가 더 크다는 점이다. 이러한 개념은 위 그림에 잘 나와 있는데 (공기 분자의 밀집 정도는 공기의 밀도를 의미), 여기서 지표면에서의 기압은 같다고 가정한다. 찬 공기의 경우 공기 분자가 더 조밀하게 쌓여 있기 때문에, 고도에 따른 기압 감소가 더 크다는 것을 잘 알 수 있다. 반면에 따뜻한 공기의 경우 지상으로부터 똑같은 고도만큼 올라간다 해도 그 고도 아래의 공기가 찬 공기에 비하여 양이 적기 때문에 기압의 감소 폭 또한 작다. 이러한 차이 때문에, 고도가 같다면 따뜻한 공기가 찬 공기에 비해서 더 많은 공기 분자를 가지고 있음을 알 수 있다.
그림에서 공기기둥의 중간에 그어진 선을 보면, 찬 공기에 비해 따뜻한 공기는 선 위쪽에 더 많은 공기가 있다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 지상의 기압은 같지만, 지표면보다 높은 고도에서는 따뜻한 공기가 찬 공기에 비하여 더 높은 기압을 갖게 된다. 이러한 현상은 비행에 있어서 중요한 의미를 함축하고 있다.
습도에 따른 기압의 변화
기온에 비하여 영향이 작지만, 공기 중에 포함된 수증기도 공기의 밀도에 영향을 미친다. 흔히 알고 있는 것과는 달리 수증기는 공기의 밀도를 감소시키게 된다. 습도가 높은 날은 공기의 밀도가 큰 것처럼 느껴지는데, 사실은 그렇지 않다. 그 이유는 원소의 주기율표에서 알 수 있듯이, 질소(N,)와 산소(01)의 분자량은 수증기(H1,0) 보다 크기 때문이다(이들의 상대적인 질량비는 28, 32, 18g이다.). 공기 중에는 이들 기체(산소와 질소)가 거의 같은 비율로 섞여 있다.
만일 공기 중에 수증기량이 증가하면, 이들이 차지하고 있던 공간의 일부분이 비중이 상대적으로 낮은 수증기로 대체된다. 이렇게 되면 공기의 비중이 건조한 공기에 비해 감소하게 되는 것이다. 물론 그 감소 비율은 작은데, 약 2% 정도에 불과하다.
요약하면, 기온과 수증기량은 기압의 차이에 영향을 주고, 기압의 차이는 바람이 고기압에서 저기압으로 이동하게 하는 힘을 발생시킨다. 일반적으로 차고 건조한 공기는 습하고 따뜻한 공기보다 지상에 더 높은 기압을 발생시킨다. 또한 따뜻한 공기는 건조할수록 더 높은 기압을 발생시킨다. 그러나 상층에서는 이와는 정반대로 된다. 즉, 상층에서 따뜻한 공기는 같은 고도의 찬 공기에 비해 더 높은 기압을 형성하게 한다.
상층 대기 흐름에 의한 기압의 변화
공기의 이동은 기압의 변화에 영향을 미치는 또 하나의 요인이 된다. 예를 들면, 어떤 지역에서 공기의 유입량이 유출량보다 많게 되면, 공기가 쌓이게 된다. 수렴(convergence)이라고 불리는 이 현상은 공기 가 몰려들게 되는 것으로, 지상의 기압을 증가시키는 요인이 된다. 이와는 반대로, 어떤 지역에서 순 유입량보다 유출량이 많게 되면, 발산 (divergence)이라고 불리는데 지상기압을 감소시키게 된다. 고기압과 저기압의 분포를 가져오는 이러한 수렴과 발산의 메커니즘에 대해서는 뒷부분에서 다시 다루겠다.
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