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이상한파의 원인, ‘폴라 보텍스’

지구온난화로 인한 기온 상승이 극 지방의 찬 공기 남하시켜 발생

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1. 들어가면서
지구상에 인류가 탄생한 이래로, 실제로는 지구 생성 이래로, 지구의 기후는 인간이 예측할 수 없는 변덕스러운 모습을 되풀이해 왔다. 그러한 가운데서도 변덕의 정도가 심한 양상이 나타날 때에 우리는 이상기후 또는 이상기상현상이 발생하였다고 한다. 여기서 말하는 변덕의 정도가 심하다고 하는 것은, 통계학적으로는 30년 평균의 기상현상으로부터 표준편차가 2배 이상 벗어난 것을 지칭한다. 그런 이상기후현상이 되풀이될 가능성은 대체로 30년에 1회 정도로 알려져 왔다. 30년이라는 시간은 대략적으로 인간이 충분한 교육을 받은 후에 사회진출을 하여 근로의 의무를 다하는 시간에 해당한다. 이러한 이유로 이상기후현상이라는 것은 인간이 사회생활을 하는 평생에 한번 정도 겪어보는 이상한 기후적 현상이라고 말할 수 있다.

그런데 1970년대 후반에 이르러 연평균 기온이 급상승하고, 여름과 겨울 기온에 큰 변동이 되풀이되는 등 기후체제에 큰 전이현상이 시작되었다. 기온만이 아니라 강수량에도 그 이전보다 훨씬 큰 변동이 나타나서 홍수와 가뭄이 높은 빈도로 교차하고 있는 것으로 조사되고 있다. 이러한 원인으로 기후학자들은 산업혁명 이래 과도한 화석연료 사용으로 대기에 축적된 이산화탄소 등의 온실가스가 지구온난화를 유발한 것에서 찾고 있다.

이러한 이상기후현상의 하나가 금년 겨울에도 우리나라를 포함한 동아시아와 북미대륙을 강타한 극단적인 이상한파이다. 이 이상한파의 발생과정과 그 원인을 알아보도록 하자.



2. 이상한파의 발생과정과 원인
지구가 구형이어서 같은 면적의 지표면에 도달하는 태양복사에너지는 저위도일수록 많고 고위도로 갈수록 감소한다. 또 지구는 지표온도(정확하게는 지표온도에 273을 더한 값)의 4제곱에 비례하는 복사에너지를 적외선 복사로 우주로 방출하고 있다. 태양복사에너지는 고위도로 갈수록 크게 감소하여 극지방 부근에 가면 거의 제로가 된다. 반면에 극지방 부근에서 지표온도가 영하 수 십도에 이르더라도 적외선 복사는 지표온도에 273을 더한 값의 4제곱에 비례하여 방출되기 때문에 고위도에서도 상당한 양의 적외선 복사가 우주로 방출되어 나간다. 지표면 온도는 이러한 태양복사에너지와 적외선복사에너지의 차에 의해 결정된다. 관측에 의하면 이 두 복사에너지가 균형을 이루는 위도가 북위 40도 부근이다.

이러한 이유로 북위 40도 부근에서 북쪽으로 갈수록 기온이 감소하는 비율이 가장 커지는데, 이러한 남북 방향의 큰 온도구배는 상층으로 갈수록 서풍을 강화시키는 작용을 하게 된다. 그래서 북위 40도 부근의 상공에는 강한 서풍이 불게 되고, 이 강한 서풍대가 남북방향으로 사행(蛇行)하면서 지구주위로 불고 있고, 이를 편서풍 파동대라고 부른다. 이 편서풍 파동대보다 북쪽에서는 태양복사에너지보다 적외선 복사에너지로 방출되는 에너지가 많아서 저온의 공기가 생성되는데, 그 찬 공기는 강한 편서풍 파동대에 갇혀서 극지방에 정체하게 된다. 이 찬 공기를 폴라 보텍스(polar vortex, 극 와동)라고 한다.

폴라 보텍스는 편서풍 파동의 북쪽에 정체해 있으므로 편서풍 파동이 남쪽으로 사행해 오는 경우에 남쪽으로 내려와 중위도 지역에 이상한파를 유발한다. 그러면 어떤 경우에 편서풍 파동이 남쪽으로 사행을 하게 될까? 편서풍 파동은 상층의 강한 서풍의 흐름이며, 바람은 공기의 이동이다. 많은 양의 공기가 흐르기 위해서는 풍속이 강하게 되고(편서풍 파동에서 특히 풍속이 강한 구역을 제트기류 대라고 부른다.) 유로가 직선이 되어야 하며, 상대적으로 적은 양의 공기가 흘러 유속이 약한 경우에는 유로가 사행이 된다. 또 편서풍 파동대의 풍속이 약해지려면, 그 북쪽과 남쪽 사이의 기압 차이가 작아져야 한다(풍속은 기압의 공간구배에 비례). 편서풍 파동대의 북쪽과 남쪽 사이의 기압차는 수십 일에서 수십 년의 주기로 변동을 하는데, 이를 북극진동현상이라고 한다. 북극지방의 기압이 높(낮)으면 양(음)의 북극진동이라고 한다.

북극지방의 기압이 평년에 비하여 낮아질 때에 음의 북극진동이 된다. 특히 제트기류 대가 남하할 때에 강한 폴라 보텍스가 남하하여 극한 이상한파를 유발한다. 또 북극지방의 기압이 낮아지는 원인은 그곳의 기온이 평년보다 높아지는 것에 있다. 북극지방의 기온은 주기적으로 상승과 하강을 되풀이 하고 있다. 그런데 온실가스 농도 증가에 따른 지구온난화는 고위도로 갈수록 급속히 진행되는 특성이 있기 때문에 극지방의 온도를 크게 높여서 음의 북극진동을 강화하는 성질을 갖는다. 그래서 최근의 빈발하는 이상한파의 원인을 지구온난화에서 찾고 있다. 지구온난화는 지구의 온도를 높이는 현상이지만, 중위도의 겨울을 극단적으로 춥게 만드는 역설로 우리 곁에 다가와 있는 셈이다.

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