대기 대순환 — 사막과 황사는 왜 하필 그 위도에 있을까

세계 지도에서 큰 사막을 찾아 손가락으로 짚어 보세요. 사하라, 아라비아, 타클라마칸, 그리고 남반구의 칼라하리와 호주 내륙. 이상하게도 전부 적도에서 30도쯤 떨어진 띠 위에 늘어서 있습니다. 반대로 적도 부근은 밀림입니다. 바다와 대륙이 제멋대로 놓여 있는데 건조한 곳만 위도로 줄을 맞춘다면, 그것은 땅이 아니라 대기 대순환이 정한 것입니다.

시작은 열의 불균형입니다

적도는 태양이 거의 머리 위에서 내리쬐고, 극지방은 햇빛이 비스듬히 스칩니다. 그래서 위도가 낮을수록 받는 태양 복사 에너지가 많습니다. 그런데 지구가 우주로 내보내는 복사 에너지는 위도에 따라 그만큼 차이 나지 않습니다.

위도 38도쯤에서 두 곡선이 만납니다. 그보다 저위도는 에너지가 남고 고위도는 모자랍니다. 이대로라면 적도는 해마다 더워지고 극은 더 추워져야 합니다. 그런데 몇천 년째 그러지 않습니다. 남는 열을 모자란 쪽으로 실어 나르는 것이 있기 때문입니다. 그 운반책이 대기와 해류이고, 대기가 맡은 몫이 대기 대순환입니다.

순환이 셋으로 나뉘는 이유

지구가 자전하지 않는다면 순환은 간단합니다. 적도에서 데워진 공기가 올라가 상공을 따라 극으로 가고, 극에서 식어 내려와 지표를 따라 적도로 돌아오는 큰 고리 하나면 됩니다.

문제는 지구가 돈다는 것입니다. 극으로 향하던 상공의 공기는 전향력 때문에 오른쪽(북반구 기준)으로 자꾸 휘어, 위도 30도쯤에서는 아예 동서 방향으로 돌아섭니다. 더 못 가고 쌓인 공기는 무게를 이기지 못해 가라앉습니다. 큰 고리 하나가 끊어지고, 결국 한 반구에 세 개의 순환이 생깁니다.

• 해들리 순환(0~30도) — 적도에서 오르고 30도에서 내려앉습니다. 열이 직접 밀어 돌리는 순환입니다.
• 페렐 순환(30~60도) — 양옆의 두 순환에 끼여 반대 방향으로 돕니다. 톱니바퀴 사이에 낀 바퀴처럼 끌려 도는 것이라, 셋 중 가장 약하고 흐트러져 있습니다.
• 극 순환(60~90도) — 극에서 내려앉고 60도에서 오릅니다.

기압대와 지상의 바람

공기가 오르는 자리는 기압이 낮고, 내려앉는 자리는 기압이 높습니다. 그래서 위도를 따라 저압대와 고압대가 번갈아 띠를 이룹니다. 적도 저압대, 위도 30도의 아열대 고압대, 60도의 한대 전선대, 그리고 극 고압대입니다.

지상의 바람은 고압대에서 저압대로 붑니다. 여기에도 전향력이 걸려 북반구에서는 오른쪽으로 휩니다.

• 무역풍(0~30도) — 30도에서 적도로 부는데 오른쪽으로 휘어 북동풍이 됩니다. 남반구에서는 남동풍입니다.
• 편서풍(30~60도) — 30도에서 60도로 부는데 오른쪽으로 휘어 남서풍, 크게 보아 서에서 동으로 부는 바람입니다.
• 극동풍(60~90도) — 극에서 60도로 부는데 휘어서 북동풍이 됩니다.

우리나라는 위도 33~38도, 편서풍이 부는 자리에 있습니다. 날씨가 서쪽에서 동쪽으로 흘러가는 이유이고(온대 저기압), 중국 내륙의 모래가 봄마다 한반도로 실려 오는 이유입니다.

그래서 사막이 그 위도에 있습니다

이제 처음 질문으로 돌아갑니다. 위도 30도는 해들리 순환의 공기가 내려앉는 자리입니다. 내려오는 공기는 압축되며 온도가 올라가고, 온도가 오르면 같은 수증기라도 포화에 훨씬 못 미치게 됩니다. 구름이 생길 수가 없습니다. 비가 오지 않는 맑은 날씨가 일 년 내내 이어지니 사막이 됩니다.

반대로 적도는 공기가 오르는 자리입니다. 올라가는 공기는 팽창하며 식고, 식으면 수증기가 응결해 구름이 됩니다. 그래서 적도 부근은 거의 매일 소나기가 쏟아지는 열대 우림입니다. 같은 대기 대순환이 한쪽에는 밀림을, 30도 옆에는 사막을 만든 것입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 순환 세 개의 이름과 위도 범위, 그리고 도는 방향. 페렐 순환만 반대로 돈다는 것이 단골입니다.
• 상승과 하강의 자리. 적도와 60도는 상승·저압대·강수, 30도와 극은 하강·고압대·건조.
• 지상 바람의 이름과 방향. 무역풍은 동쪽에서, 편서풍은 서쪽에서 불어옵니다. 바람 이름은 불어오는 쪽을 가리킵니다.
• 남반구로 뒤집는 문제. 전향력이 왼쪽으로 걸리므로 무역풍은 남동풍, 편서풍은 북서풍입니다.
• 위도별 에너지 수지 그래프에서 남는 구간과 모자란 구간, 그리고 두 곡선이 만나는 위도 38도.

자주 헷갈리는 것

• "페렐 순환도 열이 직접 돌린다" — 아닙니다. 해들리 순환과 극 순환은 더운 쪽이 오르고 찬 쪽이 내리는 직접 순환이지만, 페렐 순환은 오히려 찬 쪽이 오르고 더운 쪽이 내리는 간접 순환입니다. 양옆에 끌려 돌 뿐입니다.
• "무역풍은 서쪽에서 부는 바람이다" — 반대입니다. 무역풍은 동쪽에서 불어오는 동풍 계열입니다. 서쪽에서 불어오는 것은 편서풍입니다.
• "지구가 자전하지 않아도 순환은 세 개다" — 자전이 없으면 반구마다 큰 고리 하나입니다. 셋으로 쪼갠 것은 전향력입니다.
• "사막은 더워서 생긴다" — 온도가 아니라 하강 기류가 만듭니다. 남극도 강수량으로 따지면 사막이고, 그곳 역시 공기가 내려앉는 자리입니다.

정리합니다. 적도는 에너지가 남고 극은 모자라서, 대기가 그 차이를 메우려 움직입니다. 자전이 그 흐름을 셋으로 쪼개 해들리·페렐·극 순환을 만들고, 그 결과 위도마다 고압대와 저압대가 번갈아 서며 무역풍·편서풍·극동풍이 붑니다. 사막이 30도에 줄지어 있는 것은 바로 그 자리가 공기가 내려앉는 자리이기 때문입니다.

그림 참고: [위키미디어 공용, Atmospheric circulation (DWindrim, CC BY-SA 3.0)](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AtmosphCirc2.png) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.