한파 속에도 땅은 숨쉰다

대기와 대지를 누르는 힘

대기가 누르는 힘과 수은기둥 76㎝와 고도

“기압골의 영향을 받아 전국이 흐리고 눈이 내리며…”

일기예보를 보다 보면 쉽게 들을 수 있는 말이다. 기압이 높은 구역 고기압, 낮은 구역 저기압이라 한다. 기상에서 기압은 가장 중요한 변수이면서 날씨를 지배한다고 해도 과언이 아니다.대기의 무게에 의해서 생기는 압력을 기압이라고 하고, 기상학에서는 어떤 점 위의 대기의 양을 측정할 때 무게가 아닌 기압을 측정하고 있다. 기압의 단위는 1945년 12월부터 세계 공통적으로 밀리바(mb)를 사용해 왔지만, 국제적으로는 1984년 7월부터는 헥토 파스칼(hPa)이라고 하는 단위를 사용하기로 되어 있다.

겨울에는 서고동저의 기압배치가 발달해 겨울철 계절풍인 북서풍이 발달한다. 기압이 있다는 사실을 익히 아는 우리도 기압을 의식하며 살지는 않는다. 기압을 늘 체감하지 못하기 때문이다. 그렇다면 기압을 어떻게 발견했을까. 기압의 존재를 처음 발견한 사람은 토리첼리다. 토리첼리는 수은을 이용해 기압의 존재를 실험했다.

먼저 한 쪽 끝이 막힌 1m 길이의 유리관에 수은을 가득 채운다. 그 다음 이 유리관을 수은이 든 그릇에 거꾸로 세우면 유리관 속 수은이 일정한 높이에서 멈춘 채 더 이상 내려가지 않는다. 이 때 수은이 멈춘 높이는 약 76㎝. 이 지점에서 유리관 속의 수은이 누르는 압력과 유리관 바깥에서 밀어 올리는 압력이 같아졌기 때문이다. 76㎝ 높이의 수은기둥의 밑면에 작용하는 압력과 같은 대기의 압력을 1기압으로 삼는다.

왜 토리첼리는 물로 실험하지 않았을까. 높이 76㎝의 수은 기둥과 같은 기압을 나타내려면 물기둥은 약 10m가 돼야 한다. 10m이면 대략 건물 4층과 맞먹는 높이다. 10m 유리관에 물을 가득 채운 뒤 세우는 건 1m 유리관을 세울 때에 비해 훨씬 힘든 일이다.

토리첼리가 기압의 존재를 발견했다면 파스칼은 고도와 기압의 관계를 알아냈다. 산에 기압계를 들고 오르는 실험을 통해 고도가 높아질수록 기압이 낮아진다는 것을 발견했다. 고도와 기압의 이러한 관계를 이용하면 둘 중 하나만 알아도 다른 하나의 값을 쉽게 알아낼 수 있다. 이러한 원리를 이용한 장치가 항공기의 고도계로서 기압변화를 이용해 고도를 측정한다.

기압을 발견한 이들의 공로를 기리기 위해 이들의 이름을 기압 단위로 사용한다. 토리첼리(Torr), 파스칼(Pa), 밀리바(mb) 등이 그것인데, 현재 우리나라에서 가장 많이 쓰이는 단위는 헥토파스칼(hPa)이다. 앞서 언급된 1기압은 760 토리첼리(Torr)이고, 1013 밀리바(mb)인 동시에 1013 헥토파스칼(hPa)이기도 하다. 국제 단위계의 압력 단위인 파스칼(1 뉴튼의 힘, 즉 1kg의 물체에 1㎨의 가속도를 일으키는 힘이 1㎡에 미치는 압력)의 백배인 1hPa은 1mb와 똑같은 값의 압력입니다. 1 헥토파스칼은 1㎠에 약 1g의 무게가 작용하는 압력이고 1,000hPa이라고 하면 1㎠에 약 1kg의 무게가 작용하는 압력이라고 생각하면 된다.


여기에선 고기압, 저기에선 저기압?

일기예보에 반드시 등장하는 일기도. 기압은 일기도에서 부드러운 곡선으로 표현이 된다. 같은 기압을 나타내는 지점을 이은 등압선이다. 등압선 군데군데에 동글동글한 폐곡선이 그려져 있고 그 안에 ‘H’ 혹은 ‘L’이 적혀있다. ‘H’는 고기압, ‘L’은 저기압이다. 주변보다 기압이 높을 경우 고기압, 낮으면 저기압이 된다.

기억해야 할 것은 고기압과 저기압의 개념은 일정 기압값을 기준으로 분류되는 절대적인 것이 아니라, 주위 기압과 비교했을 때 생기는 상대적인 개념이라는 점이다. 같은 값이어도 주변 기압에 비해 높아서 고기압이 될 수도 있고, 주변 기압에 비해 낮아서 저기압이 될 수도 있다는 이야기다.

그런데 좀 이상하지 않은가. 고도가 같다면 기압은 어느 지역이든 같아야 하는데 어떻게 기압이 높고 낮음이 생길 수 있는 걸까. 이유는 태양으로부터 받는 에너지의 차이 때문이다. 지구가 태양으로부터 받는 에너지의 양은 지역에 따라 다르다. 그래서 공기의 밀도 또한 지역에 따라 다르게 나타난다. 태양에너지를 많이 받으면 공기의 밀도가 낮아져 주변보다 기압이 낮아지게 되고, 태양에너지를 적게 받으면 공기의 밀도가 높아져 주변보다 기압이 높아지게 된다.

물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯이 공기의 흐름 또한 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 저기압에서 기압은 중심부로 들어갈수록 낮아진다. 따라서 바람은 기압이 높은 바깥쪽에서 기압이 낮은 중심을 향해 반시계 방향으로 불어 들어간다. 고기압에서는 기압이 높은 중심에서 기압이 낮은 바깥쪽으로 시계 방향으로 불어 나간다. 저기압과 고기압의 바람 방향은 북반구 기준이며, 남반구에서는 북반구와 반대방향이다.

저기압과 흐린 날씨의 관계

저기압에서는 상승기류가 나타나 사방에서 불어 들어온 바람이 저기압의 중심에서 상승하게 된다. 상승한 공기는 수 km 상승한 뒤 바깥으로 불어나간다. 공기가 상승하게 되면 어떻게 될까? 일반적으로 대기는 상승할수록 압력이 낮아진다. 압력이 낮아진 공기는 점점 팽창하게 되고 기온 또한 낮아지게 된다. 일정 수준이 되면 포화 상태에 이르러 구름이 만들어진다. 구름이 생기면 비가 올 확률도 높아진다.

한편 고기압의 중심에서는 하강기류가 발생한다. 대기가 하강하게 되면 공기의 압력이 증가하고 기온이 상승한다. 상층에서 포화공기였어도 지상에 가까워질수록 불포화 상태로 변하며 날씨가 맑아지게 된다. 고기압일 때는 저기압일 때와 다른 상황이 벌어지는 것이다. 이 때문에 고기압이 다가오면 날씨가 좋으며, 저기압이 다가오면 날씨가 흐려지는 것이다. 일정한 시각에 측정해서 보정과 경정을 실시한 기압을 지도상에 기입하고 같은 값은 나타내는 곳을 연결해 보면 대개 곡선이 그려진다. 기압이 높은 곳과 기압이 낮은 곳이 원형이나 타원형 속에 나타나는 것이 보통이다. 이와 같이 기압이 같은 곳을 연결한 곡선을 등압선, 기압이 높은 구역을 고기압, 기압이 낮은 구역을 저기압이라고 한다. 그리고 고기압 역내에서 가장 기압이 높은 곳을 고기압의 중심이라고 하고 그 곳의 기압을 고기압의 시도라고 한다. 저기압에서도 마찬가지이다.

날씨란, 물과 공기의 움직임ㆍ변화 상황이다
또한 고기압과 고기압 사이에 끼여서 저기압으로부터 기압이 낮은 부분으로 골짜기와 같이 뻗어나와 있는 곳을 “기압골”이라고 하고 반대로 고기압이 뻗어나가서 지붕형태를 이룬 것을 “기압능”이라고 한다. 일반적으로 고기압 중심에서는 주위보다 기압이 높으므로 하강기류가 생겨 구름이 생성되기가 어려워 맑은 날씨가 되며 바람도 약하게 분다.

반대로 저기압은 주위보다 기압이 낮아 주변으로부터 공기가 모여들어 중심 부근에서는 상승기류가 생겨 구름이 발생한다. 이 구름은 날씨를 악화시켜 흐리거나 비가 오며 바람도 강하게 불게 된다. 북반구 고·저기압에서 부는 바람은 고기압에서는 시계방향으로 주변을 향하여 불어나가고, 저기압에서는 시계 반대 방향으로 불어 들어오는 바람방향이 나타난다. 

날씨란, 물과 공기의 움직임·변화 상황을 말한다. 날씨의 예상이란, 공기라고 하는 물질의 움직임을 예상하여 공기 중에 포함되어 있는 물(H2O)이 어떠한 변화를 할 것인가를 예상하는 것이다. 위와같이 농업재해의 가장 중요한 예방은 어떤 현상의 예상을 감지하여 빠르게 대응하고 대비하는 시스템을 잘 갖추어 자연재해로부터 안전한 농산물 생산 시스템을 갖추는 것이 중요하다. 

January 25,2018 참조