10.3 Forces That Affect the Wind

10.3 Forces That Affect the Wind

 

바람의 흐름에 영향을 미치는 세 가지 주요 힘들은 다음과 같다: 기압경도력(PGF – Pressure Gradient Force), 전향력(Coriolis force), 그리고 마찰력(friction).

 

10.3.1. Pressure Gradient Force(PGF)

 

바람은 압력 차이에 의해 발생하는데 이 압력 차이가 PGF라는 힘을 생성한다. 특정 지역에서 압력 차이가 발생하면 PGF는 이 압력 차이를 없애기 위해 바람이 불게 만든다. 이러한 힘은 constant-pressure charts의 등고선 기울기와 surface charts의 등압선 기울기를 통해 식별된다.

 

PGF는 높은 등고선 고도/등압선 압력에서 낮은 등고선 고도/등고선 압력으로 향하며 등고선/등압선에 수직으로 작용한다. 특정 지역에서 압력 차이가 발생하면 PGF는 공기가 등고선/등압선을 직접 가로지르도록 이동시킨다. 그림 10-1을 참조하라.

풍속은 PGF에 직접적으로 비례하는데 이 PGF는 등고선/등압선의 기울기와 비례한다. 밀접하게 배치된 등고선/등압선은 강한 바람을 나타내는 반면 넓게 배치된 등고선/등압선은 약한 바람을 나타낸다. 조종사는 등고선/등압선의 간격을 통해 풍속의 일반적인 추세를 파악할 수 있다.

 

그림 10-2의 왼쪽 예시에서 등고선/등압선 간격이 넓게 배치되어 있고, PGF는 약하며, 풍속은 낮다. 오른쪽 예시에서 등고선/등압선 간격이 더 밀접하게 배치되어 있고, PGF는 더 강하며, 풍속은 더 높다.

바람에 작용하는 힘이 PGF가 유일하다면 바람은 고기압에서 저기압으로 흐를 것이다. 허나 지구의 자전으로 인해 전향력이라는 힘이 존재하는데 이 힘이 바람의 방향에 영향을 미친다.

 

10.3.2 Coriolis Force

 

움직이는 물체에 외부 힘이 작용하지 않는 한 해당 물체는 직선으로 이동한다. 허나 회전하는 플랫폼에서 해당 물체를 관찰하게 되면 해당 물체의 경로가 플랫폼에 대해 곡선 경로를 나타낸다. 예를 들어서 턴테이블을 생각해보자. 연필과 자를 사용해서 턴테이블의 중심에서 바깥 가장자리로 직선을 그리면 연필이 직선 경로로 이동할 것이다. 허나 턴테이블을 멈추면 선이 중심에서 바깥쪽을 향해 나선형으로 퍼져나간 것이 명백해진다(그림 10-3 참조). 턴테이블 위에 있는 관찰자의 시점에서 보면 어떤 겉보기 힘(apparent force)이 연필을 오른쪽으로 굽게 한 것처럼 보인다.

 

(출처: youtube/힘내짜샤)

이와 유사한 겉보기 힘이 지구상에서 움직이는 입자들을 편향시킨다. 지구는 구체이기 때문에 지구에서 발생하는 deflective force는 앞서 설명한 예시(턴테이블)에서의 deflective force보다 훨씬 복잡하다. 이 원리는 Gaspard-Gustave de Coriolis에 의해 최초로 설명되었으며 그의 이름을 따서 이 힘을 Coriolis force(전향력)라 부르게 되었다.

 

전향력은 움직이는 모든 물체에 영향을 미치는 겉보기 힘이다. 북반구에서는 전향력이 공기를 오른쪽으로 편향시키고 남반구에서는 전향력이 공기를 왼쪽으로 편향시킨다.

 

전향력은 풍향과 직각을 이루며 풍속에 비례한다. 즉, 풍속이 증가하면 전향력도 증가한다. 특정 위도에서 풍속이 두 배가 되면 전향력도 두 배가 된다. 그렇다면 왜 특정 위도에서일까?

 

전향력은 위도에 따라 달라지는데 그 힘이 적도에서는 0이 되고 극지방에서는 최대가 된다. 전향력은 적도 근처를 제외한 전 세계의 풍향에 영향을 미치지만 중위도와 고위도 지역에서 그 효과가 더 두드러진다.

북반구에서는 전향력이 움직이는 물체를 해당 경로의 오른쪽으로 편향시키고 남반구에서는 전향력이 움직이는 물체를 해당 경로의 왼쪽으로 편향시킨다. 전향력이 편향시키는 정도는 극지방에서 최대가 되고 적도에서는 0이 된다.

 

전향력의 힘은 풍속에 비례한다. 그림 10-5에서 오른쪽 예시의 풍속은 왼쪽 예시의 풍속보다 두 배 강하므로 전향력도 두 배가 된다.

10.3.3 Friction Force

 

바람과 지형 사이의 마찰은 바람을 느리게 만든다. 지형이 거칠수록 마찰의 영향이 더 크다. 또한 풍속이 더 높을수록 마찰이 더 강해진다. 마찰을 힘이라 생각하지 않는 사람들도 있는데 이는 항상 풍향의 반대 방향으로 작용하는 매우 실질적인 힘이다.

 

마찰력의 크기는 지형의 거칠기에 비례한다. 그림 10-6의 왼쪽 예시와 오른쪽 예시에서 풍속은 동일하지만 오른쪽 예시의 지형이 더 거칠기 때문에 마찰력도 더 강하다.

마찰력의 크기는 풍속에 비례한다. 그림 10-7의 오른쪽 예시는 왼쪽 예시보다 두 배 강한 풍속을 가지고 있으므로 마찰력도 두 배로 크다.

지상에서의 마찰로 인한 저항은 보통 고도에 따라 감소하며 수 천 피트 너머에서는 무시할 수 있을 정도로 작아진다. 허나 강한 바람과 거친 지형으로 인해 마찰 층(friction layer)이 높은 고도까지 확장되는 경우도 있다.