에크만 수송과 용승·침강 현상

코리올리 효과는 지구의 자전으로 인해 운동하는 물체에 작용하는 겉보기 힘이다. 해수에 작용하는 코리올리 효과는 북반구에서는 운동 방향의 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 힘을 가한다. 한편, 해수 표층에 작용하는 풍응력은 바람이 불어가는 방향으로 물을 이동시키려는 힘을 발생시킨다.

풍응력에 의해 움직이기 시작한 표층 해수는 코리올리 효과의 영향을 받아 운동 방향이 점차 편향된다. 그러나 표층의 운동은 그 아래층의 해수에 마찰력을 전달하며, 이 마찰력은 각 수층마다 코리올리 효과와 평형을 이루려는 경향을 보인다. 결과적으로, 수심이 증가함에 따라 해류의 속도는 감소하고 방향은 계속해서 편향된다. 이 이론적 균형 상태를 기술한 것이 바그네스 빌헬름 에크만의 모델이다.

이 균형 관계는 수학적으로 다음과 같이 표현될 수 있다. 수평 방향의 운동 방정식에서, 풍응력에 의한 가속도, 코리올리 효과에 의한 가속도, 그리고 수직 방향의 난류 마찰(에디 점성)에 의한 가속도가 평형을 이룬다. 에크만은 이 평형 방정식을 풀어 해류 속도와 방향이 수심에 따라 어떻게 변화하는지, 즉 에크만 나선을 유도해냈다.

에크만 나선은 수직 방향으로 변화하는 해류의 속도와 방향을 나타내는 이론적 모델이다. 이 모델은 표층 해류가 코리올리 효과와 수직 난류 마찰력이 균형을 이룰 때 형성된다. 표층에서 바람의 응력이 가해지면, 해수는 바람 방향으로 움직이기 시작한다. 그러나 코리올리 효과로 인해 북반구에서는 운동 방향이 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 편향된다. 이 편향 효과는 마찰에 의해 아래층의 해수로 전달되면서, 수심이 깊어질수록 속도는 감소하고 편향 각도는 누적되어 증가한다.

결과적으로 해류 벡터는 수심에 따라 나선형 궤적을 그리게 된다. 표층 해류는 북반구에서 바람 방향의 오른쪽으로 약 45도 편향된 방향으로 흐른다. 수심이 증가함에 따라 해류 속도는 지수함수적으로 감소하고, 방향은 계속해서 오른쪽으로 편향된다. 이론적으로 수심이 에크만 수심에 도달하면, 해류는 표층 흐름과 정반대 방향을 가리키며, 속도는 표층 속도의 약 4% 수준으로 매우 약해진다.

에크만 나선에 의해 유발되는 순 수송 방향은 바람 방향과 수직이다. 북반구에서는 바람 방향의 오른쪽 90도 방향, 남반구에서는 왼쪽 90도 방향으로 에크만 수송이 발생한다. 이는 각 수층의 미소 흐름을 벡터 합한 총괄적인 효과이다. 예를 들어, 북반구에서 북풍(남쪽으로 부는 바람)이 불면, 코리올리 효과로 인한 편향의 누적으로 인해 표층부터 에크만 수심까지의 물질 수송은 순수하게 동쪽 방향을 가진다.

이러한 수직 구조와 수평 수송은 용승과 침강 현상을 일으키는 직접적인 원인이 된다. 특히 연안이나 적도와 같이 지형적 제약이 있는 지역에서 에크만 수송이 해안선이나 경계를 향하거나 멀어지면, 연직 운동이 강제되어 중요한 해양학적 현상이 발생한다.

연안 용승은 해안선에 평행하게 부는 바람과 코리올리 효과의 상호작용으로 발생하는 중요한 해양 현상이다. 북반구에서는 해안을 왼쪽에 두고 부는 바람이, 남반구에서는 해안을 오른쪽에 두고 부는 바람이 용승을 유발한다. 이는 에크만 수송에 의해 설명된다.

북반구에서 해안선을 따라 남쪽에서 북쪽으로 부는 바람이 분다고 가정하면, 코리올리 효과로 인해 표층수의 평균 이동 방향은 바람 방향의 오른쪽으로 90도 벗어난다. 이 경우 표층수는 해안선에서 수직으로 멀어지는 방향, 즉 외해 쪽으로 이동한다. 이로 인해 해안 근처의 표층수가 감소하면, 그 아래에 있던 차갑고 영양염이 풍부한 심층수가 수직으로 상승하여 그 공간을 채운다. 이 과정이 연안 용승이다.

연안 용승이 활발한 지역은 일반적으로 대륙 서안, 특히 캘리포니아 해류, 페루 해류(훔볼트 해류), 카나리아 해류, 벵겔라 해류가 흐르는 지역이다. 이 지역들은 대부분 동풍이 우세한 아열대 고압대의 서쪽 경계에 위치하며, 바람이 해안선을 따라 일정하게 분다. 용승의 강도는 바람의 속도와 지속성, 해안선의 방향 및 지형에 크게 의존한다.

이 메커니즘은 해양의 1차 생산력에 결정적인 영향을 미친다. 상승하는 심층수는 표층에서 소모된 인산염, 질산염, 규산염 등의 영양염을 공급하여 식물플랑크톤의 대량 번성을 촉진하고, 이는 결국 풍부한 어장을 형성하는 기초가 된다.

적도 용승은 적도 부근 해역에서 발생하는 대표적인 용승 현상이다. 이는 적도 무풍대를 중심으로 북동무역풍과 남동무역풍이 불어나가며 발생하는 에크만 수송의 결과이다. 북반구에서는 코리올리 효과에 의해 표층수의 에크만 수송이 풍향의 오른쪽으로 90도 벗어나므로, 북동무역풍은 표층수를 북쪽으로 이동시킨다. 반대로 남반구에서는 표층수가 풍향의 왼쪽으로 90도 벗어나 남동무역풍에 의해 남쪽으로 이동한다. 이로 인해 적도 바로 위에서는 표층수가 양쪽으로 발산하게 되고, 그 공간을 채우기 위해 아래층의 차가운 물이 위로 올라오는 용승이 발생한다.

적도 용승은 태평양, 대서양, 인도양에서 모두 관찰되며, 그 강도와 범위는 계절과 대규모 기후 패턴에 따라 변동한다. 가장 강력하고 지속적인 적도 용승은 태평양 동부와 대서양 동부에서 나타난다. 이 지역은 표층수의 발산이 뚜렷하고, 용승수의 수온이 주변 표층수에 비해 현저히 낮다.

적도 용승은 해양 생태계와 지구 기후 시스템에 중대한 영향을 미친다. 심층으로부터 공급된 영양염은 식물플랑크톤의 대량 번성을 유도하며, 이는 먹이사슬을 따라 고차 소비자까지 영향을 줘 어획량을 증가시킨다. 또한, 차가운 용승수는 해수면 온도를 낮추고, 이는 대기 중의 대류 활동을 억제하여 강수 패턴을 변화시킨다.

특히 태평양에서 적도 용승의 강약 변화는 엘니뇨-남방진동과 밀접하게 연결되어 있다. 엘니뇨 현상이 발생할 때는 무역풍이 약해지고 적도 용승도 약화되거나 중단되어 동태평양의 해수면 온도가 상승한다. 반대로 라니냐 현상 시기에는 강한 무역풍이 강한 적도 용승을 유발하여 동태평양 해역의 수온을 평년보다 더 낮게 만든다. 따라서 적도 용승의 모니터링은 기후 변동성을 이해하고 예측하는 데 핵심적인 요소이다.

연안 침강은 해안선을 따라 표층 해수가 해안에서 외해 방향으로 이동하면서 발생하는 수직 하향 운동이다. 이 현상은 주로 편서풍이 우세한 중위도 지역의 대륙 서안[2]에서 두드러지게 관찰된다. 연안을 따라 북쪽에서 남쪽으로 부는 바람[3]은 에크만 수송을 통해 표층 해수를 바람 방향의 오른쪽으로 이동시킨다. 이로 인해 해안선을 따라 표층 해수가 해안에서 떨어지는 방향으로 수송되면, 그 공간을 메우기 위해 해수는 아래쪽으로 침강하게 된다.

연안 침강이 발생하기 위한 주요 조건은 다음과 같다.

이러한 조건이 충족되면, 해안 근처의 표층 영양염이 풍부한 차가운 해수는 외해로 수송되지 못하고 대신 하강한다. 이로 인해 연안 침강 지역의 표층은 일반적으로 영양염이 고갈되고, 표층수의 혼합층이 얕아지는 특징을 보인다. 결과적으로 식물플랑크톤의 성장이 억제되어 해당 해역의 1차 생산성이 낮아지는 경향이 있다. 이는 영양염이 풍부한 차가운 심층수가 표면으로 올라오는 연안 용승 지역과 대비되는 생태적 결과를 낳는다.

대규모 침강은 주로 고위도 해역, 특히 북대서양과 남극해에서 발생한다. 이 지역에서는 겨울철 강한 냉각과 해수 증발로 인해 표층 해수의 염분과 밀도가 크게 증가한다. 이렇게 무거워진 해수는 대류에 의해 수심 수백 미터에서 수천 미터까지 빠르게 가라앉으며, 이를 심층수 형성이라고 한다.

이 과정은 지구적 규모의 열염순환 (Thermohaline Circulation)을 구동하는 핵심 동력원이다. 북대서양에서 형성된 북대서양 심층수는 남쪽으로 흐르고, 남극해에서 형성된 남극저층수는 더 깊은 바닥층을 채우며 전 세계 해양을 순환한다. 이 순환은 수백 년에서 천 년 이상의 시간 규모로 이루어진다.

대규모 침강은 대기로부터의 이산화탄소를 해양 심층으로 운반하는 중요한 경로이기도 하다. 표층수가 침강할 때 용해된 기체를 함께 끌고 내려가, 수백 년 동안 심해에 격리시킨다. 이는 지구의 장기적인 기후 조절에 중요한 역할을 한다[5].

용승 현상은 차갑고 영양염이 풍부한 심층수를 표층으로 끌어올린다. 이로 인해 해양 표층의 영양염 농도가 급격히 증가하며, 이를 주원료로 하는 식물 플랑크톤의 광합성 활동이 활발해진다. 식물 플랑크톤의 대량 증식은 1차 생산성을 비약적으로 높이며, 이는 먹이사슬을 따라 동물 플랑크톤, 어류에 이르기까지 전체 해양 생태계의 생물량을 증가시킨다. 따라서 주요 용승 해역은 세계적으로 가장 생산성이 높은 어장으로 알려져 있다.

반대로, 침강 현상이 발생하는 해역은 상황이 정반대이다. 표층수가 수렴하여 아래로 가라앉으면서, 표층의 비교적 따뜻하고 영양염이 고갈된 수괴가 중층으로 이동한다. 이 과정은 표층으로의 새로운 영양염 공급을 차단하여, 해당 해역의 1차 생산성을 제한한다. 침강 해역은 종종 생물학적으로 불모지인 해양 사막에 해당한다.

전 세계 해양의 생산성 분포는 용승과 침강의 패턴과 밀접하게 연결되어 있다. 주요 용승 지역과 그 생태계적 중요성은 다음 표와 같다.

이러한 생물 생산성의 변화는 결국 어획량에 직접적인 영향을 미치며, 지구 탄소 순환에도 기여한다. 식물 플랑크톤이 대기 중의 이산화탄소를 고정하여 유기물로 전환하고, 이 유기물이 심해로 침강하면 장기적으로 탄소가 해양에 저장되는 생물학적 양산 과정이 강화되기 때문이다.

용승은 차가운 심층수가 표층으로 올라오는 과정에서 표층 해수 온도를 낮춘다. 이렇게 냉각된 해수면은 상부 대기를 냉각시키고, 해수면과 대기 사이의 열교환을 변화시킨다. 특히 대규모 용승이 발생하는 적도 태평양 동부나 페루 해안 같은 지역에서는 해수면 온도가 주변보다 현저히 낮아져 지역적 대기 순환에 직접적인 영향을 미친다.

반대로 침강은 상대적으로 따뜻한 표층수가 가라앉아 심해로 열을 수송하는 과정이다. 북대서양과 남극해에서 활발한 대규모 침강은 열염순환의 중요한 동력원이 된다. 이 과정은 표층의 열을 심해로 전달하여 전 지구적 열 분포를 조절하고, 결과적으로 대기 순환 패턴을 형성하는 데 기여한다.

에크만 수송에 의해 유발된 용승 및 침강 지역의 해수 온도 편차는 대규모 대기 순환과 기후 현상에 중요한 변수로 작용한다. 대표적인 예가 엘니뇨-남방진동이다. 적도 태평양 동부의 용승이 약해지고 해수 온도가 상승하는 엘니뇨 현상은 지역적인 대기 대류를 변화시켜 전 지구적인 기상 이변을 초래한다. 이는 워커 순환과 같은 대기 순환의 변동을 통해 설명된다.

이러한 연관성은 해양-대기 결합 모델의 핵심 요소이며, 장기 기후 예측의 정확도를 높이는 데 필수적이다.

위성 원격 탐사는 광범위한 해양 표면을 지속적이고 체계적으로 관찰하여 에크만 수송 및 이로 인한 용승·침강 현상을 감시하고 정량화하는 핵심 도구이다. 해수면 높이, 해수 표면 온도, 해색 등의 정보를 제공하여 직접적인 흐름 관측이 어려운 넓은 해역에서도 관련 과정을 간접적으로 추론할 수 있게 한다.

주요 관측 변수와 그 활용은 다음과 같다.

예를 들어, 해수면 높이 데이터로부터 계산된 해수면 높이 기울기와 해류 속도 정보는 표층 풍응력의 회전 성분(컬)을 추정하는 데 사용된다. 이 풍응력 컬은 에크만 수송의 발산과 수렴, 즉 용승과 침강을 직접 유발하는 물리적 원인이므로, 위성 자료는 이러한 현상이 발생할 가능성이 높은 해역을 식별하는 데 결정적인 역할을 한다.

또한, 해수 표면 온도와 해색 영상은 용승의 결과를 시각적으로 명확하게 보여준다. 연안이나 적도 해역에서 관찰되는 좁고 긴 냉수 대나 클로로필 농도가 높은 지역은 활발한 용승이 일어나고 있음을 강력히 시사한다. 위성은 이러한 현상의 시공간적 변동성을 장기간에 걸쳐 기록하여, 계절적 변화, 엘니뇨·라니냐와 같은 대규모 기후 변동성과의 상관관계를 연구하는 기초 자료를 제공한다.

현장 계측은 에크만 수송과 용승, 침강 현상을 직접적으로 관찰하고 정량화하는 핵심적인 방법이다. 이는 해양의 물리적 특성, 예를 들어 해류의 속도와 방향, 수온, 염분, 용존 영양염 농도 등을 특정 지점에서 직접 측정하는 것을 포함한다. 이러한 직접 측정 데이터는 위성 원격 탐사로 얻은 광범위한 정보를 검증하고 보완하며, 특히 수직 구조를 파악하는 데 필수적이다.

부이는 가장 대표적인 현장 관측 장비 중 하나이다. 부이는 표류 부이와 계류 부이로 크게 나눌 수 있다. 표류 부이는 해류를 따라 움직이며 표층 유속과 위치 변화를 추적한다. 반면, 계류 부이는 특정 지점에 고정되어 수심별 해류 속도, 수온, 염분 등을 장기간에 걸쳐 연속적으로 기록한다. 예를 들어, 에크만 나선을 확인하기 위해서는 표층부터 중층까지 여러 깊이에서 동시에 유속을 측정해야 하며, 이를 위해 수심별 해류계를 설치한 계류 부이가 활용된다.

선박을 이용한 관측은 보다 적극적이고 종합적인 조사를 가능하게 한다. 연구선은 CTD 프로파일러를 이용해 수심에 따른 수온, 전기전도도(염분), 압력, 때로는 용존 산소나 엽록소 농도까지 연속 프로파일을 측정한다. 또한, 선박에서 직접 해수를 채취하여 실험실에서 영양염 농도를 정밀 분석하거나, ADCP를 선체에 부착하여 선박이 이동하면서 아래 수층의 해류 속도 분포를 측정하기도 한다. 이러한 선박 관측은 특정 용승 해역의 규모, 강도, 생지화학적 영향을 종합적으로 평가하는 데 결정적인 역할을 한다.

현장 계측 데이터는 기후 모델의 초기 조건 및 검증 자료로 사용되며, 어업 자원 변동을 이해하는 생태학적 연구의 기초를 제공한다. 최근에는 아르고 부이와 같은 자율 관측 네트워크가 구축되어 전 지구적 해양 상태를 실시간에 가깝게 모니터링하는 데 기여하고 있다.

에크만 수송에 의해 유발되는 용승 현상은 해양 표층으로 풍부한 영양염을 공급하여, 1차 생산력을 급격히 높인다. 이는 식물 플랑크톤의 대량 번성을 촉발시키고, 이를 먹이로 하는 동물 플랑크톤, 그리고 최종적으로 어류에게까지 이어지는 먹이사슬의 기초를 제공한다. 따라서 전 세계 주요 어장의 대부분은 페루 해류 지역이나 아프리카 서해안과 같은 대규모 용승 해역에 집중되어 있다[7].

어업 관리 당국은 용승의 강도와 시기를 예측하여 어획 시기와 허용 어획량(TAC)을 설정하는 데 활용한다. 강한 용승기가 예상될 때는 어류 자원의 성장과 보충이 활발해질 것으로 예상해 어획량을 조정할 수 있다. 반대로, 엘니뇨 현상과 같이 용승이 약화되거나 중단되는 기후 변동기에는 어획 활동을 제한하여 자원의 붕괴를 방지하는 조치를 취한다.

지속 가능한 어업을 위해서는 단순히 어류의 개체수만을 모니터링하는 것을 넘어, 이를 지탱하는 물리적 환경인 용승의 패턴을 이해하고 예측하는 것이 필수적이다. 해양 관측 네트워크와 위성 자료를 통해 얻은 해수면 온도(SST) 및 엽록소 농도 데이터는 용승의 활동을 실시간으로 추적하는 데 핵심적인 도구로 사용된다.

에크만 수송과 이로 인한 용승 및 침강 현상은 해양과 대기의 열 및 물질 교환에 핵심적인 역할을 하므로, 정확한 기후 모델링과 장기 기후 예측에 필수적으로 고려되어야 하는 요소이다. 이러한 해양 과정은 해양 대순환의 강제력 중 하나로 작용하며, 해수의 수직 혼합과 열염순환에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 현대의 기후 모델은 에크만 펌핑 효과를 정량화하여 해양 모듈에 통합함으로써, 해양의 열 저장 및 수송, 이산화탄소 흡수 능력 등을 더 현실적으로 모사할 수 있다.

기후 예측, 특히 엘니뇨-남방진동과 같은 계절에서 수십 년 규모의 기후 변동성 예측의 정확도는 해양 상층부의 과정을 얼마나 잘 재현하는지에 크게 의존한다. 예를 들어, 적도 태평양에서의 에크남 수송 변화는 용승流的 강도를 조절하여 해수면 온도의 경향을 바꾸고, 이는 대규모 대기 순환 패턴(예: 워커 순환)에 영향을 준다. 기후 모델이 이러한 상호작용을 정확히 포착하지 못하면, 엘니뇨의 발생 시기, 강도, 지속 기간에 대한 예측이 빗나갈 수 있다.

미래 기후 시나리오를 평가하기 위한 대부분의 기후 모델은 이러한 물리 과정을 포함하고 있으나, 그 정밀도는 여전히 개선의 여지가 있다. 특히 연안 경계층에서의 복잡한 상호작용, 해저 지형의 영향, 그리고 바람 응력 데이터의 불확실성은 주요 과제로 남아 있다. 에크남 수송 관련 프로세스의 모델 표현을 개선하는 것은 해양 생태계의 변화, 극한 기상 현상의 빈도, 그리고 지역적 기후 영향에 대한 보다 신뢰할 수 있는 전망을 제공하는 데 기여한다.