해류 및 순환, 해류의 발생원인은 무엇일까요?

안녕하세요! 오늘 알려 드릴 정보는 해류 및 순환이에요.

해류는 왜 발생할까요? 어떤 힘이 있을까요?

그리고 해류가 바다 생물에게 어떠한 영향을 미칠까요? 

이 모든 정보를 알려드리겠습니다! 알아보러 갈까요?

 

해류와 순환의 중요성

바다의 운동을 구분해 보면, 해류, 파랑, 혼합과 확산 현상으로 나눌 수 있습니다.

해류는 수 시간 이상의 긴 시간에 걸쳐 특정한 방향으로 물질과 에너지를 동시에 이동시키는 현상을 말해요.

파랑은 에너지(혹은 정보)를 주로 전달 및 전파하는 현상이며 혼합과 확산은 주로 물질이 교환되고 퍼져나가는 현상입니다.

해류의 형성 과정과 바닷물의 순환에 대해 알아보겠습니다.

바다는 지구라는 그읏에 담겨 있기 때문에 해류들은 바닷물의 수평적 순환을 만들게 되며, 바다의 순환은 해류의 평균적 연결 고리로 생각 할 수 있습니다.

바다의 물리적 현상, 그 중에서도 해류를 연구하는 이유를 간단히 요약한다면

인류는 1) 바다에서 먹거리를 얻고, 2) 바다를 사용하며(물량과 인원 수송, 해안 개발과 광물자원 활용, 여가 선용 등), 3) 바다는 대기 날씨와 기후에 많은 영향을 주기 때문입니다. 날씨와 기후에 대한 해양의 역할은 가끔 뉴스거리가 되곤 합니다.

날씨 변화 양상과 엘니뇨, 태풍과 해일을 관련시킨 뉴스를 들어보지 않은 사람은 없겠죠? 최근에는 남해에서 주로 잡히던 멸치가 동해 속초 해안가에서도 잡힌다는 뉴스와 함께 지구 온난화에 대한 이야기를 합니다. 이는 해양이 기후와 날씨 변화, 그리고 어종 변화에도 밀접히 관련되어 있음을 의미합니다.

 

해류체계가 바다 생물에게 미치는 영향은 육상 생물에게 날씨와 기후 환경이 미치는 영향과 같은 의미를 지니곤 합니다. 따듯한 해역에서 서식하는 생물이 난류를 따라 다른 곳으로 이동하기도 하고, 난류와 한류가 만나는 곳에서는 두 영역의 생물이 모이기도 합니다. 특히, 해류는 온도의 변화에 더불어 영양염 공급으로 바다를 풍요롭게 합니다.

바다를 이용하는 인류는 바닷가나 바다속에 구조물을 만들기도 하고 선박을 이용하여 이동합니다.

해류는 장기적으로 특정한 방향으로 물질을 이동시키므로, 구조물의 안전과 선박의 항해 속도를 좌우 할 수 있습니다.

해변에서 모래의 장기간 이동도 많은 부분 연안 해류의 영향을 받습니다.

마지막으로 바다는 강우, 가뭄, 홍수, 지역적 기후 그리고 폭풍과 태풍의 분포에 중요한 영향을 줍니다.

 

해류의 발생원인

해류의 발생원인을 알아보겠습니다.

정지하고 있는 해수를 움직이게 하거나, 움직이는 해수를 가속하거나 방향을 바꾸기 위해서는 힘이 작용하여야 합니다.

따라서, 해수에 작용하는 힘의 균형을 알면 해수의 운동을 기술할 수 있으며, 이는 뉴턴의 운동법칙에서 

"관성력=작용하는 외력의 합"입니다.

즉, 물체의 질량*가속도=물체에 작용하는 힘의 합인 것이죠.

원칙적으로 가속도를 알면, 이를 시간에 대해 적분하여 속도를 알 수 있고, 속도를 또 시간 적분하면 이동거리를 알 수 있습니다. 따라서 해류는 속도를 가지므로 해류가 발생하기 위해서는 힘이 작용하여야 합니다.

액체의 경우, 질량보다는 단위부피당 질량인 밀도를 주로 사용하며, 이 경우에 작용하는 힘도 단위질량당 힘이 아니라 단위부피당 힘을 사용하게 됩니다. 해양에서 단위부피당 해수에 작용하는 힘을 모두 고려하여 운동방정식을 표현 할 수 있습니다.

이러한 힘들은 역할에 따라 두 가지로 구분하기도 합니다.

한 가지는 해수의 운동을 일으키고 유지시키는 힘으로써 구동력 혹은 일차적 힘이라고 하며, 바람 응력(마찰력), 압력, 경도력, 중력 혹은 부력, 기조력(조석을 일으키는 힘)이 이에 속합니다. 

다른 하나는 해수가 움직이기 시작하면 작용하여 운동에 변화를 주는 힘으로써 조종력 혹은 이차적인 힘이라고 하고, 전향력, 마찰력이 이에 속합니다. 따라서 운동의 측면에서 해류는 해양에 작용하는 구동력(주로 바람 응력과 공간적 밀도 차이)들에 의해 발생합니다. 

해수의 운동에 관련된 또 하나의 중요한 물리 법칙은 물질 보존 법칙입니다. 

 

바람 응력 - 관성류와 전향력

바람이 갑자기 불었다가 멈추면 바람 응력 방향으로 표층 흐름이 발생하게 되고, 물 입자 사이에 점성(마찰력)이 없다면 이 흐름은 지속될 것으로 추측할 것입니다. 바람응력은 경계면에 작용하는 힘으로 바람의 속도 혹은 속도의 제곱에 비례합니다. 하지만, 다른 힘이 가해지지 않아도 흐름의 방향은 시간에 따라 변하게 되는데, 북반구에서는 오른쪽(시계방향)으로 남반구에서는 왼쪽(반시계방향)으로 흐름이 휘어져 흐름이 원운동을 하는 것으로 나타납니다. 이러한 흐름을 관성류라고 합니다. 원운동의 주기를 관성주기라고 합니다.

무엇이 흐름의 방향을 휘어지게 하여 원운동이 되는 것일까요? 우선 바람이 멈추어 가해지는 힘이 없는 경우에도 흐름이 지속되는 것은 물의 관성 때문입니다. 힘을 가하지 않아도 흐름의 방향이 바뀌는 것은 지구의 자전효과에 의해 작용하는 전향력 때문입니다. 따라서 관성류는 "관성력=전향력"의 균형 상태에서 발생한다고 할 수 있습니다.

 

바람응력 - 취송류

관성류와 달리 바람이 해수면에 장시간 걸쳐 불면 흐름이 형성되는데, 이를 취송류라고 합니다. 바람 응력은 해수 표면에 가해지는 마찰력의 일종입니다. 바람 응력에 의해 표면수가 바람방향으로 움직이면, 그 아래층의 물은 점성에 의해 움직이게 되지만 동시에 표면수에게는 흐름의 반대방향으로 마찰력을 가하게 됩니다.

이 과정에서 북반구에서 움직이는 물체에 작용하는 전향력은 흐름의 오른쪽으로 작용하게 됩니다. 즉, 표층에서 흐름에 대한 힘의 균형을 따져 보면 "바람 응력(마찰력)+아래층 물의 마찰력(점성)+전향력=0"이 된다고 할 수 있습니다.

따라서 표면수는 북반구에서 바람이 불어가는 방향의 오른쪽 45도 방향으로 향하게 됩니다.

이 흐름은 수직적 마찰력(물의 점성)에 의해 계속적으로 다음 아래층으로 전달되는데, 흐름의 세기는 지수 함수적으로 작아지게 되고, 흐름의 방향은 상층에 비해 점점 오른쪽을 편향하게 되어 깊이에 따라 나선 구조가 됩니다. 북반구에서 이 취송류를 수직으로 적분하면, 물의 평균 이동은 바람방향의 오른쪽 직각방향이 됩니다.