자연 과학 Natural Science/지구 Earth sciences

코리올리 효과(Coriolis effect), 전향력, 코리올리 힘(Coriolis force), 대기의 순환

Jobs9 2022. 9. 11. 09:04
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코리올리 효과(Coriolis effect)는 전향력 또는 코리올리 힘(Coriolis force)이라고도 하며, 회전하는 계에서 느껴지는 관성력으로, 1835년 프랑스의 과학자 코리올리가 처음 설명해 냈다.

굵은 글꼴은 그 물리량이 벡터라는 점을 나타내고, m은 질량, v는 물체의 계에서의 속도를, Ω는 계가 돌고 있는 각속도를 나타낸다.

 

 

지구에서 가장 거시적으로 나타나는 코리올리 힘의 결과는 저기압과 고기압일 것이다.

 

 


공기분자는 압력 차이의 힘과 전향력을 받는다.

위의 그림에서와 같이 저기압과 고기압의 사이에는 공기분자들이 고기압 쪽에서 저기압 쪽으로 힘을 받고 있다.(Pressure Gradient Force는 등압선에 수직인 방향으로 힘을 받고 있음을 뜻한다.) 하지만 코리올리 힘이 수직으로 작용하게 되므로 공기분자의 운동경로는 구부러지게 되어 저기압 주위를 원운동을 그리면서 돌게 된다. 

 

옆의 그림은 처음 고기압에서 출발한 공기분자(A)가 B와 C를 거치면서 어떻게 저기압으로 가는 도중 저기압으로 가지 못하고 등압선과 평행을 그리면서 돌게 되는지를 보여주고 있다.


이와 같이 등압선과 평행을 이루면서 이동하는 공기분자에 의해서 바람이 생겨날 때 등압선은 대체적으로 저기압 중심을 원을 그리고 있으므로 (반대로 고기압에서도 원을 그리면서 돌고 있다.) 바람도 등압선을 따라서 원을 그리면서 돌게 된다. 밑의 그림과 같이 압력에 의해서 생성된 힘은 구심력으로 작용하지만 코리올리 힘에 의해서 많은 부분이 상쇄되어 원운동을 그리게 된다. (압력 차이가 변하여 공기에 작용하는 힘이 변하면 전향력도 또한 바뀌므로 원운동의 반지름이 바뀌게 된다.)

 

공기분자는 압력에 의해 생성되는 힘과 코리올리 힘이 평형을 이루면서 원운동을 하려고 하지만, 바람은 지면의 저항을 받으므로 속도가 줄어들어 원운동을 하지 못하고 (중학교 과학 교과서에서 배운대로) 고기압에서는 밖으로, 저기압에서는 안으로 흘러드는 모양새를 갖추게 된다.

 

바람이 부는 방향의 결정
고기압과 저기압에서의 바람의 방향

그렇게 생각하면 원운동을 그리는 바람은 어느 정도 지표면의 저항을 생각하지 않아도 되는 상층부 대기에서 나타나며, 지표면의 바람은 우리가 알고 있는 (중학교 과학교과서대로) 바람의 모양대로 흘러감을 알 수 있다.

저기압 대기의 아주 꼭대기(대류권계면 부근)에서는 지표면에서 모인 공기가 저기압 중심에서 상승하기 때문에 상승한 공기에 밀려서 저기압 중심으로부터 나선을 그리면서 점차 주위로 퍼져 나간다. 고기압 대기의 아주 꼭대기에서는 지표면에서 빠져나간 공기가 차지하고 있던 공간을 채워주기 위해서 공기가 모여들게 되므로 점차 모이게 된다.

이것이 대기와 저기압/고기압의 움직임에 대한 대체적인 설명이다.

 

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