해들리 세포

수직 속도 500hPa, 7월 평균 초당 파스칼 단위. 상승(음수 값)은 태양 적도 부근에 집중되어 있고 하강(양수 값)은 더 분산되어 있다.

조지 해들리(George Hadley)의 이름을 딴 해들리(Hadley) 세포는 적도 부근에서 상승하는 공기와 지구 표면 위 10~15km 높이에서 극 방향으로 흐르는 것, 아열대 속으로 하강하는 것, 그리고 나서 지표 가까이에서 적도로 돌아오는 것을 특징으로 하는 세계적인 규모의 열대 대기 순환이다. 이 순환은 무역풍, 열대우림과 허리케인, 아열대 사막과 제트기류를 발생시킨다. 해들리 세포는 약 0도에서 30도의 위도에서 공기가 가라앉는 저고도 전복 순환이다.

메커니즘

대기 순환의 원동력은 지구 전체에 걸쳐 태양열이 불균일하게 분포하는 것인데, 이는 적도 부근에 가장 크고 극지방에서도 가장 크다. 대기 순환은 에너지 극을 향해 전달하여 결과적으로 적도에서 극까지의 온도 구배를 감소시킨다. 이것이 달성되는 메커니즘은 열대지방과 열대지방에서 다르다.

해들리 세포는 적도 양쪽에 존재한다. 각 세포는 지구 주위를 위도로 둘러싸고 적도로부터 약 30위도로 에너지를 운반하는 작용을 한다. 순환은 다음과 같은 현상을 보인다.^[1]

적도 부근에 따뜻하고 습한 공기가 수렴하면 많은 강수를 일으킨다. 이것은 잠열을 방출하여 강한 상승 동작을 유도한다.
이 공기는 해발 약 10~15km의 대류권까지 상승하는데, 더 이상 공기가 부력이 되지 않는다.
계속 상승할 수 없는 이 대기권 하층 공기는 대신에 아래의 지속적인 상승에 의해 극지 방향으로 강제 상승된다.
공기가 극으로 이동하면서 코리올리 효과와 각운동량 보존으로 인해 모두 냉각되고 강한 동쪽 성분을 얻게 된다. 그 결과로 생긴 바람은 아열대 제트기류를 형성한다.
이 위도에서는 지금 시원하고 건조하며 높은 고도의 공기가 가라앉기 시작한다. 그것이 가라앉을 때, 그것은 상대 습도를 감소시키면서 단열적으로 따뜻해진다.
표면 가까이에서는 마찰 리턴 흐름이 루프를 완성해 도중에 습기를 흡수한다. 코리올리 효과는 이 흐름을 서쪽으로 향하는 요소로 작용하여 무역풍을 일으킨다.

해들리 순환은 계절적 변화를 보인다. 해들리 세포의 위쪽 가지(DJF와 JJA)는 해들리 세포의 위쪽 가지에서 적도를 직접 넘는 것이 아니라 여름 반구에서 발생한다. 연간 평균에서, 위쪽 가지들은 북반구로 약간 상쇄되어 남반구에서 더 강한 해들리 세포가 자리를 잡게 된다. 이것은 북반구에서 남반구로 가는 작은 순에너지 수송을 증명한다.^[1]

해들리 시스템은 열로 직접 순환하는 예를 제공한다. 열엔진으로 간주되는 해들리 시스템의 열역학적 효율은 1979~2010년 동안 비교적 일정하게 유지되어 평균 2.6%를 기록했다. 같은 기간 동안 해들리 정권에 의해 발생된 동력은 연평균 0.54 TW의 비율로 증가하였다. 이는 관측된 열대 해수면 온도의 증가와 일치하는 시스템에 대한 에너지 입력의 증가를 반영한다.^[2]

전반적으로 해들리 순환과 같은 평균 경혈 순환 세포는 서로 다른 유형의 에너지의 수송 사이의 취소로 인한 적도-극간 온도 구배를 줄이는 데 특별히 효율적이지 않다. 해들리 세포에서 지각과 잠열은 모두 표면 가까이에 적도로 운반되는 반면, 잠재적 에너지는 반대 방향인 극 방향으로 운송된다. 결과적으로 순극방향 운송은 이 잠재적 에너지 운송의 약 10%에 불과하다. 이것은 부분적으로 각운동량 보존에 의해 대기운동에 부과되는 강한 제약조건의 결과물이다.^[1]

발견의 역사

해들리 세포는 분분에 나타날 수 있는 지구의 대기 순환을 이상적으로 묘사하고 있다.

18세기 초 영국의 변호사 겸 아마추어 기상학자인 조지 해들리는 천문학자 에드먼드 할리가 무역풍을 설명하기 위해 제안했던 이론에 불만을 품었다. 의심할 여지없이 핼리의 이론에서 옳았던 것은 태양열 난방이 적도 공기의 상승 운동을 생성하며, 상승된 공기량을 대체하기 위해서는 인접 위도에서 나오는 공기량이 유입되어야 한다는 것이었다. 그러나 무역 바람의 서쪽 요소에 대해 핼리는 하늘을 가로질러 이동할 때 태양이 하루 동안 공기량을 다르게 가열할 것을 제안했다. 해들리는 핼리 이론의 그 부분에 만족하지 않았고 당연히 그렇다. 해들리는 지구의 자전이 지구와 비교해서 움직이면서 기단이 취하는 방향에서 역할을 한다는 것을 가장 먼저 인식한 사람이었다. 1735년에 발표된 해들리의 이론은 여전히 미지의 상태로 남아 있었으나, 여러 차례 독자적으로 재발견되었다. 재발견자 중에는 나중에 해들리의 우선권을 알게 된 존 달튼이 있었다. 시간이 흐르면서 해들리가 제안한 메커니즘이 받아들여졌고, 시간이 흐르면서 그의 이름은 점점 그것에 애착을 갖게 되었다. 19세기 말까지 해들리의 이론은 여러 가지 면에서 부족함을 보여주었다. 가장 먼저 역학을 정확하게 설명한 사람 중 한 명은 윌리엄 페럴이었다. 정확한 이론이 받아들여지기까지는 수십 년이 걸렸고, 심지어 오늘날에도 해들리의 이론은 때때로, 특히 인기 있는 책과 웹사이트에서 여전히 만날 수 있다.^[3] 해들리의 이론은 그의 이름이 열대 대기의 순환 패턴에 보편적으로 붙게 할 만큼 충분히 오랫동안 일반적으로 받아들여진 이론이었다. 1980년에 아이작 홀드와 아서 후는 해들리 순환을 묘사하는 홀드-허우 모델을 개발했다.

월별장기평균강수량

아폴로 17호에서 온 지구의 유명한 이미지 속의 구름 형성은 대기 순환을 직접적으로 보이게 한다.

위도별 강수에 미치는 주요 영향

적도 방향으로 움직이는 기단이 수렴하여 상승하는 지역을 열대간 융합지대, 즉 ITCZ라고 한다. 그 구역 내에서 높은 정밀도를 내는 뇌우 띠가 형성된다.

해들리 세포 순환의 위쪽 가지에서 응축과 강수로 수증기의 대부분을 잃었기 때문에 하강 공기는 건조하다(젖지 않는다). 공기가 내려갈수록 상대습도가 낮아지는 것은 상공의 압축에 의해 공기가 단열되면서 압력이 높은 지역이 생성되기 때문이다. 아열대는 적도 벨트에서 흔히 볼 수 있는 대류, 즉 뇌우가 비교적 자유롭다. 세계의 많은 사막은 이러한 아열대 위도에 위치해 있다. 그러나 무역풍에 의해 야기된 해류 때문에 사막은 다양한 대륙의 동쪽까지 확장되지 않는다.