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대기·해수·맨틀 지구를 위한 완벽한 팀플레이
 
들어가는 말
에너지 균형을 부르...
바람, 바다에 길을 ...
지구를 움직이는 톱...
지구를 위해, 땅 아...
들어가는 말
운동 경기에서 선수들의 팀플레이는 관중에게 짜릿한 쾌감을 선사하고 팀을 승리로 이끈다. ‘여러 사람이 좋은 성과를 얻기 위하여 협력하는 일’을 뜻하는 팀플레이는 스포츠뿐 아니라 다양한 분야의 조직에서 요구된다. 몇몇 동물들도 사냥을 위해 그들만의 팀플레이를 한다.

지금 이 순간, 지구 안에서도 완벽한 팀플레이가 이루어지고 있다. 대기, 해수, 맨틀이라는 거대한 톱니바퀴들이 맞물려 돌아가며 지구 전체의 에너지 평형을 이루고 있기 때문이다.

에너지 균형을 부르는 불균형
생명체와 기계가 움직이는 데 힘, 즉 에너지는 필수 요건이다. 지구가 생명의 보고 역할을 하는 데도 많은 에너지가 필요하다. 지구가 사용하는 에너지 대부분은 태양에서 오는데, 문제는 태양에너지가 모든 지역에 골고루 도달하지 않는다는 사실이다. 지구는 둥글어서 태양의 남중고도가 높아 빛이 거의 수직으로 내리쬐는 적도 부근은 상대적으로 뜨겁고, 태양의 남중고도가 낮아 빛이 비스듬히 닿는 극지방은 차갑다. 운동장에 정오에 서 있을 때와 저물녘에 서 있을 때 정수리에 내리쬐는 햇빛의 양이 다른 이치와 같다. 이 상태가 계속되면 지구의 한쪽은 에너지가 남아 불덩이 같고 다른 한쪽은 에너지가 부족해 얼음덩이같이 되어 생명체가 살기에 매우 부적합한 환경이 될 것이다.

그러나 아이러니하게도 에너지 불균형은 균형으로 이어진다. 온도 차로 인한 대류(對流)에 의해서다. 공기는 기온의 차이에 따라 이동한다. 뜨거운 공기는 위로, 차가운 공기는 아래로 향하며 뒤바뀌는 공기의 대류 현상은 지구 전체에서도 일어나 남북 방향의 거대한 ‘대기 대순환’을 이룬다.

태양 빛을 받아 뜨거워진 적도 부근의 공기는 부피가 팽창하며 가벼워져 상승하고, 근처에 있던 차가운 공기가 빈자리를 채운다. 상승한 공기는 극지방으로 이동하다가 차가워지면 부피가 수축하며 무거워져, 다시 하강하여 순환한다. 이론상으로는 남반구와 북반구에 각각 하나씩 커다란 순환이 이루어져야 하지만 그렇지 않다. 지구의 자전으로 생성되는 전향력1 때문이다. 지구는 서에서 동으로 자전한다. 바람도 자전 방향을 따라 북반구는 오른쪽, 남반구는 왼쪽으로 휘어져 불게 된다. 이때, 대기 대순환은 대륙과 바다를 만나 좀 더 복잡한 모양으로 나타난다. 크게 ‘극 순환(Polar circulation)’, ‘페렐 순환(Ferrel circulation)’, ‘해들리 순환(Hadley circulation)’으로 나뉘는 세 가지 대순환은 각종 환경과 기후에 영향을 준다. 일기예보에서 자주 들을 수 있는 ‘편서풍’, ‘무역풍2’ 모두 대기 대순환에 의해 생겨난 바람이다.

이처럼 대기는 전 지구를 돌면서 적도 부근의 남는 에너지를 고위도로 이동시켜 지구 전체 에너지를 일정하게 유지해주고 있다.

바람, 바다에 길을 내다
유명 애니메이션 <니모를 찾아서>에서 아빠 흰동가리 ‘말린’은 아들 ‘니모’를 찾으러 시드니까지 해류를 타고 빠르게 이동한다. 실제 바닷물의 흐름에 따라 이동하는 물고기들도 있다. 이처럼 하늘에 바람의 길이 있다면 바다에는 물의 길, 해류(海流)가 있다. 태양에너지를 많이 받아 수온이 높은 적도 부근의 해류를 난류, 극지방에서 내려오는 차가운 해류를 한류라고 한다. 한류나 난류는 주변 지역의 기후에 영향을 끼치기도 한다.

물은 약간의 점성이 있어서 바람을 만나면 마찰이 생긴다. 바다 표면의 물도 이 마찰을 따라 움직인다. 다만 바람처럼 남북방향으로 움직이지 않는다. 해수는 전향력 때문에 북반구에서는 오른쪽, 남반구는 왼쪽으로 45도 정도 치우쳐 흐르다가 표층에서 아래로 내려갈수록 바람의 힘이 약해져 오른쪽으로 더 편향되어 휘어지면서 평균적으로 바람과 직각 방향으로 흘러간다. 흐르던 물은 대륙을 만나 고위도와 저위도로 퍼진다. 이렇게 전 지구를 여행하는 거대한 물의 흐름을 ‘해양 대순환’이라 한다.

해양 대순환은 수심 200미터까지의 표층 순환과 더 깊은 바다에서 일어나는 심층 순환으로 나뉜다. 표층 순환의 원동력은 대기에 지속적으로 부는 바람과의 마찰이다. 표층수가 바람에 의해 밀려나면 아래층에 있던 물이 위로 솟아오른다. 밀려난 물은 먼 거리를 이동하며 식는다. 서서히 차가워진 물은 대륙을 만나 더는 갈 곳을 찾지 못하고 아래로 가라앉는다.

한편 심해에서는 물의 밀도 차에 의한 순환이 일어난다. 바닷물의 밀도는 염분과 온도에 영향을 받는데, 수온이 낮거나 염분이 높을수록 밀도가 높다. 적도 부근의 바닷물은 상대적으로 따뜻해서 밀도가 낮고, 차가운 극지방의 바닷물은 밀도가 높다. 밀도가 높은 해수는 해저로 가라앉고 밀도가낮은 해수는 표층으로 올라가며 심층 순환을 이룬다. 심층 순환은 표층 순환보다 10~100배가량 느리지만, 산소를 옮기는 중요한 역할을 한다. 상하좌우로 끊임없이 움직이는 바다의 흐름은 거대한 컨베이어벨트처럼 저위도에서 고위도로 에너지를 운반한다.

지구를 움직이는 톱니바퀴
해수와 대기는 상호작용하며 지구의 온도를 조절한다. 물은 비열3이 커서 열에너지를 저장하고 이동시키기에 좋은 자원이다. 지구에 있는 물의 약 97퍼센트를 차지하는 해수 역시 대기에 열이 많으면 받아 저장하고, 모자라면 공급하며 거대한 에너지 저장소 역할을 한다. 또 대기는 해양을 운동시키고, 해양은 기압이나 습도 등 대기의 성질을 변하게 한다. 노르웨이는 고위도에 위치하지만, 서부 해안만큼은 따뜻하다. 멕시코 난류에서 시작된 북대서양 해류가 지나기 때문이다.

대기와 해수의 연결고리를 보여주는 예가 엘니뇨와 라니냐다. 무역풍이 평소보다 약하면 동태평양 연안에 위치한 페루와 칠레 해안의 따뜻한 물이 서쪽으로 덜 밀려나 엘니뇨의 원인이 된다. 찬물이 바다 표면으로 올라오지 않아 육지 온도가 올라가고, 증발이 많아져 중남미 지역에 많은 비가 내리며 오스트레일리아 일대는 가뭄을 겪는다.

반대로 무역풍이 강해지면 적도 해수의 온도가 낮아지는 라니냐 현상이 일어난다. 무역풍이 따뜻한 해수를 서쪽으로 많이 옮겨 태평양 서쪽 바다는 따뜻해지지만 동쪽 바다는 차가워진다. 이 때문에 동남아시아에는 평소보다 많은 비가 내려 홍수가 발생하고, 남미와 북미에는 강추위가 기승을 부린다.

서로 맞물린 톱니바퀴는 하나가 움직이면 전체가 움직이고, 하나가 멈추면 다 함께 멈춘다. 대기와 해양도 마찬가지다. 기후 협정이나 환경 보호 협정을 여러 나라가 함께 맺는 것도 지구 전체를 순환하는 대기와 해수로 인해 각 지역의 기후가 유기적으로 연결돼 있기 때문이다.

지구를 위해, 땅 아래에서도
우주에서 본 지구는 육지와 바다로 이루어진 푸른 행성이다. 그래서인지 우리는 이따금 발밑에 어마어마한 불덩어리가 있다는 사실을 잊고 산다. 지각만 해도 최하층의 온도가 1000℃, 맨틀에서도 핵과 가까운 최하층은 약 4000℃에 이른다. 이렇게 뜨거운 물질이 지구 안에서 끓고 있는데도 우리가 평안히 지낼 수 있는 이유는 무엇일까? 땅 아래에서 일어나는 열전달 체계 덕분이다.

지각과 핵 사이에 있는 맨틀은 지구 전체 부피의 약 83퍼센트를 이룬다. 맨틀은 고체 상태의 물질이지만 위아래 온도가 일정하지 않다. 맨틀 하부는 핵 근처에서 강한 열이 발생해 특별히 온도가 높은 부분이 생기고, 맨틀 상부는 상대적으로 온도가 낮은 부분이 생긴다. 온도 차에 의해 맨틀은 하부에서 상부로, 상부에서 하부로 이동하게 된다. 이때 이동하는 열 기둥을 플룸(plume)이라 하는데 플룸이 형성되면서 맨틀 안에서도 대기와 해양처럼 대류 운동이 일어난다.

실제로 해양 지각이 대륙 지각에 부딪혀 밀려 들어오면서 차가운 플룸 덩어리를 형성한다. 차가운 플룸은 점점 맨틀 쪽으로 떨어진다. 반대로 핵 근처에서는 뜨거운 플룸이 생겨 점점 지각 부근으로 상승한다. 이 현상은 아주 천천히 일어나지만, 지구 전체에서 큰 역할을 한다. 만약 맨틀에서 대류가 일어나지 않으면 핵에서 발생하는 뜨거운 열로 지구는 서서히 녹아 버릴지도 모른다.

맨틀의 대류는 대륙을 이동시키는 힘으로 언급되기도 한다. 그렇게 적절히 분산된 대륙을 따라 바람은 이리 돌고 저리 휘며 편향된 에너지를 이동시킨다. 해수는 바람의 힘을 빌려 새로운 흐름으로 에너지를 전달한다. 지구는 안팎의 에너지 불균형을 대기, 해수, 맨틀의 대류 현상으로 해소하고 있다.

서로 별개인 것 같은 바람과 물, 땅은 밀접하게 연결되어 체계적으로 움직이고 있다. 지구에 살아가는 수많은 생명체를 위해 펼치는 실로 완벽한 ‘팀플레이’라 하겠다. 덕분에 지구는 태양계의 다른 행성에 비해 안정적인 평균 온도를 유지하며 이 순간에도 많은 생명을 피워내고 있다.

전 1장 6~7절 “바람은 남으로 불다가 북으로 돌이키며 이리 돌며 저리 돌아 불던 곳으로 돌아가고 모든 강물은 다 바다로 흐르되 바다를 채우지 못하며 어느 곳으로 흐르든지 그리로 연하여 흐르느니라”

욥 28장 4~5절 “사람 사는 곳에서 멀리 떠나 구멍을 깊이 뚫고 발이 땅에 닿지 않게 달려 내리니 멀리 사람과 격절되고 흔들흔들 하느니라 지면은 식물을 내나 지하는 불로 뒤집는 것 같고”



1. 물체가 움직일 때 지구 자전의 영향을 받아 북반구에서는 이동 방향의 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 휘어지게 하는 가상의 힘 또는 현상.
2. 위도 20도 부근에서 적도를 향해 부는 바람. 북반구에서는 북동풍, 남반구에서는 남동풍이 된다.
3. 단위질량의 물질의 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열량. 비열이 클수록 온도가 잘 변하지 않는다.


[참고]
한국기상학회, 『대기과학개론』, 시그마프레스, 2006.
홍준의 외 3명, 『살아있는 과학 교과서 1, 2』, 휴머니스트, 2011.

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