[등압면 고도]
설명해 드리면 다음과 같습니다.
상층일기도에서는 지상에서 주로 사용하는 등압선 대신에 등고선을 사용하는데 높이 올라갈수록 기압은 감소하지만, 동일 등압면에서는 등압면 고도가 높은 곳은 기압이 높고, 등압면 고도가 낮은 곳은 기압이 낮아서 등압선 대신에 등압면의 등고선을 사용하면 상대적인 기압을 알 수 있다.
왜 등압면 고도가 높은 곳은 기압이 높고, 등압면 고도가 낮은 곳은 기압이 낮을까? 그 이유는 대기의 정역학방정식 dp/dz = (-)ρg에서 추리하여 알아낼 수 있다. 밀도ρ는 기층 평균밀도이다. 상공에서 찬공기 기층은 평균밀도보다 더 커서 지오포텐셜 고도가 낮아지고, 더운공기 기층은 평균밀도보다 더 작아서 지오포텐셜 고도가 높아진다. 밀도가 동일하면, 등압면과 지오포텐셜면은 비례한다. 실제 대기 환경에서는 온도에 의해 밀도가 동일하지 않고 공기의 밀도가 다른 곳이 생긴다. 온도가 낮은 찬공기는 밀도가 크고 밀도가 커지면 부피는 작아지고 중력위치에너지가 작아져서 지오포텐셜 역시 작아지기에 지오포텐셜 고도가 낮아진다, 온도가 높은 공기는 밀도가 작다. ‘압력=밀도×지오포텐셜’ 식에서 등압면의 찬공기 지역은 밀도가 커서 지오포텐셜 고도가 낮아지고, 더운공기 지역은 밀도가 작아서 지오포텐셜 고도가 높아진다. 찬공기의 이류는 지오포텐셜 고도를 낮추어 지오포텐셜 하강, 더운공기 이류는 지오포텐셜 고도를 높여 지오포텐셜 상승을 유발한다.
대기역학 17면에 의하면, 지구에 있는 수평면은 등지오포텐셜이다. 지오포텐셜 값이 해수면 고도에서 0이 되도록 한다면, 고도(높이) z에서의 지오포텐셜값은 단위 질량을 고도(높이) z까지 들어올리는 데 필요한 일에 해당한다. 지오포텐셜값이 같은 곳이 ‘등지오포텐셜’이며, ‘중력가속도×높이’가 같은 곳에 해당한다. 등지오포텐셜을 연결하면 중력에 수직인 지오포텐셜면이 생긴다. 지오포텐셜 고도(H)는 지오포텐셜을 지표면의 중력가속도 값인 9.8로 나눈 값이다. 지표 부근에서는 지오포텐셜 고도(H)와 기하학적 고도(z)가 거의 같지만, 지오포텐셜=지오포텐셜 고도(H)×9.8=기하학적 고도(z)×g 식에서 고도 증가시 중력가속도g는 변하여 9.8보다 작아지므로 ‘지오포텐셜 고도(H) < 기하학적 고도(z)’ 관계가 성립한다. 지오포텐셜 고도(H)가 기하학적 고도(z)와 비교하여 약간 작은 이유는 중력가속도는 대기에서 높이 올라갈수록 조금씩 작아지기 때문이다. 근사적으로 지오포텐셜 고도(H)는 기하학적 고도(z)에 비례하기에 기하학적 고도가 높은 곳은 지오포텐셜의 고도가 높고, 기하학적 고도가 낮은 곳은 지오포텐셜의 고도가 낮다.
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