열대 수렴대

목적

• 학생들은 태양이 어떻게 대기 대순환을 일으키는지에 대해서 학습할 수 있다.
• 학생들은 직접 실험을 해봄으로써 빛과 열이 대류를 일으킨다는 것을 알 수 있다. 학생들은 따뜻한 공기가 찬 공기 위로 올라간다는 것을 배울 수 있다.
• 학생들은 이런 기본적인 현상이 지구의 대기 대순환 시스템의 원인이 될 수 있으며 따뜻하고 습한 기후는 적도 지방에서 주로 발생됨을 이해할 수 있다.

학습 목표

• 활동 1을 통한 학생들의 성취: 이 활동을 하고 나면 학생들은 따뜻한 공기가 주변의 차가운 공기 위로 올라가는 현상과 이러한 상승 기류가 물체를 대기 중으로 쏘아 올리기에 충분히 강하다는 것을 설명할 수 있을 것이다.
• 활동 2를 통한 학생들의 성취: 이 활동을 하고 나면 학생들은 에너지원이 지속적인 열을 주입할 경우 연속 대류 흐름이 생성된다는 것을 설명할 수 있을 것이다. 학생들은 새로운 공기의 유입이 이 현상을 지속시킬 수 있다는 것을 이해할 것이다.
• 활동 3을 통한 학생들의 성취: 이 활동지는 학생들이 처음 두 가지 활동에서 얻은 지식을 태양이 주요 열원인 지구에서 일어나는 상황으로 대응할 수 있게 돕는다. 학생들은 지구 대기가 열을 받는 방법과 그 결과에 대한 질문에 대답한다. 학생들은 열대 수렴대가 열대 지방과 아열대 지방 사이에 있는 기후대의 영향으로 발생하는 대기 대순환 체계의 일부분일 뿐이라는 것을 이해할 수 있다.

평가

• 이 활동을 통해 학생들에게 주어진 질문과 답(일부는 토론 활동으로 진행할 수도 있다)은 선생님이 학습 결과를 평가할 수 있는 수치가 된다.
• 선생님은 학생들에게 무슨 일이 발생하고, 왜 일어나는 지에 대해 두 문장으로 표현하게 하고, 학생들이 무엇을 보았는지를 알려주기 위해 처음 두 가지 활동에 대한 도표를 그리도록 한다.
• 활동지의 마지막 활동은 첫 두 가지 활동을 설명하고 토론한 것을 요약하고 이를 지구의 전 세계 시스템에 적용하는 것이다. 이를 이용하면 개별적인 요소에 대해서 얼마나 이해했는지 쉽게 판단할 수 있다.
• 그림에 대한 답은 배경지식의 그림 2에 나타나 있다.

준비물

활동은 2인 1조로 진행했을 때 가장 잘 수행될 수 있다. 아래 목록은 조별로 필요한 물품들이다.

일반적인 준비물:

• 종이로 된 손수건, 냅킨 혹은 이중 구조 티백
• 성냥이나 라이터
• 유리 접시 혹은 은박지(혹은 불이 붙지 않는 평평한 면이 있는 물건)
• 강한 전등(일반적인 전구 혹은 텅스텐 할로겐 전구, 최소 100W)
• 가위
• 가능하다면 납작한 펜치
• 풀(판지에 사용)
• 연필 혹은 비슷하게 생긴 뾰족한 물건
• 양초의 알루미늄 랩
• 압정

아래는 대체품:

대체품 1

• 판지 튜브(주방 휴지 안쪽 심)
• 검은색 물감과 붓 혹은 검은색 종이
• 판지 한 장(대략 넓이 1cm, 길이 8cm)

대체품 2

• 활동지에 제시되어 있는 구조 견본
• 검은색 판지(22cm x 20cm)
• 판지 한 조각(견본에 보이는 것처럼 대략 넓이 1cm, 길이 12cm)

배경지식

온도와 밀도, 그리고 부력

우리는 실험을 통해서 기체의 밀도가 온도에 의존한다는 것을 알고 있다. 차가운 공기는 따뜻한 공기 보다 밀도가 더 크다. 이것은 따뜻한 공기의 풍선이 떠오를 수도 있고 심지어는 화물을 들어 올릴 수 있는 이유이다.

과학적으로 이 현상은 이상 기체의 법칙과 아르키메데스의 원리에 의한 부력으로 설명할 수 있다.

이런 이유로 부력은 주어진 공기에 가해지는 중력의 힘과 동일하다.

F_up = F_g,air,out = m_air,out ∙ g

여기에서 m_air,out은 주어진 공기의 질량이다. 뜨거운 공기가 부피는 V, 이 공기 바깥쪽의 밀도 ϱ_out이라고 할 때 풍선 밖의 공기의 밀도는 아래와 같다.

F_up = ϱ_out ∙V∙g

부력이 중력과 동일해 질 경우 (오직 공기만 해당됨) 부력은 생긴다.

F_up = F_g,air,in = m_air,in ∙ g = ϱ_in ∙V∙g

여기에서:

F_res = F_up – F_g,air,in = ϱ_out ∙V∙g – ϱ_in ∙V∙g = (ϱ_out – ϱ_in)∙V∙g .

결과적으로 힘은 풍선 내부와 외부의 밀도 차이에 의해서 결정된다. 뜨거운 공기가 들어 있는 풍선의 경우 내부의 밀도는 열을 받은 공기에 의해서 변할 수 있다. 이는 기체의 법칙에 적용된다. 아래 적혀 있는 것이 기체 법칙 중에 하나이다.

p∙V = m∙R_s∙T

m 은 전체 공기의 질량을 의미하고 R_s은 상수이다. 따라서

(p∙V)/(m∙T) = p/(ϱ∙T) = const.

뜨거운 풍선을 풀면 열을 받는 동안 풍선 내부와 외부의 압력은 동일하다. 이것은 상수이기도 하다. 따라서

ϱ∙T = const.

풍선 내부의 공기가 따뜻해지기 시작할 때는 풍선 내부와 외부의 밀도와 온도는 같아진다. 시간이 지나면 두 값은 달라진다. 따라서 우리는 다음 방정식을 쓸 수 있다.

ϱ_in ∙ T_in = ϱ_out ∙ T_out ⇔ ϱ_in = ϱ_out ∙ T_out/T_in

이제 부력의 결과를 이용해서 그 전으로 돌아가 보자.

F_res = (ϱ_out – ϱ_in) ∙V∙g

두 밀도는 온도의 변화와 관련된다. 따라서

ϱ_out – ϱ_in = ϱ_out – (ϱ_out ∙ T_out / T_in) = ϱ_out ∙ (1 – T_out / T_in),

이것은 다음과 같이 들어 올리는 힘에 대한 마지막 표현으로 나타낼 수 있다

F_res = ϱ_out ∙ (1 – T_out / T_in) ∙V∙g.

F_res을 양수로 표현하기 위해서 우리는 아래 과정이 필요하다.

1 – T_out / T_in > 0 ⇔ T_in > T_out.

따라서 뜨거운 공기가 들어있는 풍선(사실, 풍선 내부 공기만)은 풍선 내부의 공기 온도가 외부 공기 온도보다 높다면 떠오를 것이다.

태양과 지구 바람 시스템

지구의 대기는 공기로 구성되어 있다. 우리는 공기가 데워지기만 하면 떠오른다는 것(위에서 알 수 있음)을 알고 있다. 대기는 태양에 의해서 따뜻해지는데 태양은 주로 지표면에 가장 먼저 열을 가하고 이 지표면과 가까운 대기를 데운다. 따뜻한 공기는 차가운 공기보다 더 낮은 밀도를 가지고 있기 때문에 따뜻한 공기가 상승 기류를 만들어서 지표면에서 약 10 ~ 15km 정도 높이에 있는 대류권의 가장 높은 부분까지 공기가 올라가는 대류 현상을 일으킨다. 공기가 올라가게 되면 공기는 점차 차가워지게 되고 부력이 감소하게 된다. 같은 맥락으로 상승 기류가 멈추게 되고 공기는 수평으로 북쪽과 남쪽으로 분산된다.

이 과정은 태양이 천정 위치에 있는 위도에서 가장 효과적이다. 예 : 적도 주위에 있는 벨트. 이 지역은 열대 수렴대라고 불린다(ITCZ). 이것은 계절에 따라 북쪽과 남쪽을 향하는 태양의 겉보기 연간 위치를 보여준다.

그림 1 : 대기권의 층(The High Fin Sperm Whale, https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Layers_of_the_atmosphere.PNG, NASA의 고도에 따른 ‘대기의 층’ (https://www.nasa.gov/ mission_pages/sunearth/science/atmosphere-layers2.html added by M. Nielbock, https://creativecommons.org/ licenses/by-sa/3.0/legalcode).

차가운 공기는 따뜻한 공기보다 포함할 수 있는 수증기의 양이 적어진다. 따라서 ITCZ에서 상승하는 습윤한 공기는 점점 더 수증기를 포함할 수 없게 된다. 결과적으로 구름이 형성되고 수증기는 결국 비가 되어 내린다. 심할 경우에는 대류로 인해 태풍이 생겨나기도 하고, 심지어 사이클론이나 허리케인 같은 기상현상이 나타난다. 이는 적도 주변의 저위도 지방에서 습윤한 열대성 저기압과 폭우로 나타난다. 위성사진에서 ITCZ는 적도 지방을 따라 나타나는 구름대로 인해 매우 눈에 띈다(그림 2 참고). 이는 위성사진이 지구의 기후를 알아보는 중요한 도구가 될 수 있음을 나타낸다.

그림 2 : GOES 14 위성에서 얻은 사진. ITCZ 주변의 구름 형성대가 매우 잘 나타나있다(NASA/GOES Science Team).

공기는 이제 건조해진다. 북쪽과 남쪽으로 퍼져 북위와 남위 30°에 도달할 때 쯤, 건조해진 공기가 하강하며 온도가 높아지고 더욱 더 건조해진다. 우리는 이 지역에서 매우 건조한 아열대 기후를 발견할 수 있다.

그림 3 : 해들리 세포의 도식(‘The Waveform Diary’ blog, The mystery of the shifting tropical rain belt, M. Weirathmueller, permission for reproduction granted).

순환은 대류가 다시 일어날 수 있도록 공기를 적도 지역과 ITCZ로 되돌리며 대기 대순환의 한 사이클을 형성한다. 그러므로 ITCZ의 상승 기류는 적도 지방의 열대성 기후와 북위와 남위 약 30°에 위치한 건조한 사막들을 야기한다. 이 벨트를 해들리 세포라고 한다(그림 3 참고).

ITCZ의 대류 영역과 연결된 해들리 영역이 연결된 곳은 훨씬 더 큰 지구 대기 대순환 시스템의 일부이다(그림 4 참고).

그림 4 : 지구 대기의 대순환

(Kaidor (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth_Global_Circulation_-_en.svg), ‘Earth Global Circulation – en’, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode)

기후 변화에 미칠 수 있는 영향

우리는 열에너지가 바람, 비, 온도와 같은 날씨의 원동력이라는 것을 알아 보았다. 따라서 공기 중에 열이 더 많이 저장되면 날씨에 미치는 영향은 더 커질 수 있다. 지표면과 고도가 높은 지역 사이의 온도 차이로 인한 부력 때문에 ITCZ에서 일어나는 순환이 좀 더 영향을 받을 수 있다는 것을 고려해야 한다.

평균 대기 온도가 점진적으로 증가하는 현상(지구온난화)과 자연재해의 빈도와 강도의 증가하고 있다는 사실이 최근 수십 년간 자료에서 보여진다.

(http://www.ucsusa.org/global_warming/science_and_impacts/impacts/global-warming-rain-snow-tornadoes.html). 이것은 최근의 기후 연구 결과들에 의해서 타당성을 얻고 있다(https://www.sciencedaily.com/releases/2017/03/170307100337.htm).

전체 활동 설명

소개 : 묻고 답하기

학생들에게 지구본이나 세계 지도를 보여주고 적도를 찾으라고 한다.

질문 : 극은 어디에 있나요? 북극에 대해서 적도는 어디에 위치하고 있나요?

예상 답 : 적도는 두 극사이의 절반 지점에 있는 선이나 원주입니다.

그림 5 : 지구와 북극에 대한 적도 위치 예시(미 정부).

학생들이 지리적 조사를 할 수 있도록 온라인 지도와 적도 지역에 대한 인공위성 사진을 사용해도 좋다. 또한 지도를 다양하게 볼 수 있는 화면을 대표로 띄운다. 다음 웹사이트는 인공위성 사진 자료를 제공하는 곳이다:

https://maps.google.com https://www.arcgis.com/home/webm ap/viewer.html?useExisting=1

질문 : 적도지방에 있는 나라의 이름을 말할 수 있나요? 이와 근접한 도시 중에 아는 것이 있나요?

예상 답 : 예. 에콰도르(키토, 갈라파고스), 브라질, 가봉(리브르빌), 콩고, 우간다(캄팔라), 케냐, 말레이시아, 인도네시아.

질문 : 이 지역의 대표적인 식물군에는 무엇이 있을까요?

예상 답 : 더 자세한 인공위성 자료가 필요해요. 혹은 예상 답 : 열대우림이요.

질문 : 이 지역의 대표적인 날씨는 어떠한가요(습함 혹은 건조함, 추움 혹은 더움)?

예상 답 : 습하고 더우면서 비가 많이 내립니다.

질문 : 이 지역이 일 년 내내 따뜻한 기후를 나타내는 이유가 무엇이라고 생각하나요? 학생들에게 태양-지구 시스템 모형을 보여준다(그림 6).

예상 답 : 태양이 주요 열원입니다. 적도 인근 지역에서는 태양을 천정 방향에서 볼 수 있습니다.

질문 : 지구의 뜨거운 지표면에 의해서 공기가 데워집니다. 따뜻한 공기는 어떻게 될까요? 따뜻한 공기가 들어 있는 풍선 사진을 보여준다.

예상 답 : 따뜻한/뜨거운 공기는 차가운 공기 위로 올라갑니다.

질문 : 공기가 상승하는 것을 어떻게 알 수 있을까요?

예상 답 : 바람으로요.

그림 6 : 태양의 영향을 받는 지구의 예시. 적도에서 보면 태양은 항상 수직에 가깝게 비춘다(Przemyslaw ‘Blueshade’ Idzkiewicz, http://commons.wikimedia.org/wiki/File: Earth-lighting-equinox_EN.png, ‘Earth-lighting-equinox EN’, solar light beams at different latitudes added by Markus Nielbock, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/legalcode).

활동 1 : 날아다니는 불꽃

주의! 이 활동은 불꽃을 충분히 다룰 수 있는 학생들에게만 적합합니다. 화재가 발생했을 때 안전한 환경에서 실험을 진행하고 실험을 진행하는 동안 학생들을 지도해야합니다. 라이터나 성냥은 한꺼번에 소수의 학생들만 사용하도록 해야 합니다. 이마저도 불안하다면 실험은 선생님이 진행하여 보여주어도 됩니다.

연기 탐지기는 이번 활동을 하는 동안 꺼두어야 한다.

불연성 표면을 사용한다. 도자기 그릇이나 은박지 조각은 보통 책상이나 테이블의 표면을 보호하는데 쓴다.

이 활동에서 학생들은 따뜻한 공기가 차가운 공기 위로 올라가는 원리를 알게 될 것이다. 매우 가벼운 종이가 타면서 발생한 따뜻한 공기는 상승 기류를 만들면서 올라간다. 이 실험은 정성적인 결과를 내며 상승하는 힘의 정량적 값은 중요하지 않다.

한 조당 한 세트 (실험을 선생님이 진행한다면 한 세트만)

• 티슈, 냅킨 혹은 이중 구조 티백
• 성냥이나 라이터
• 유리 접시 혹은 은박지 (혹은 불이 붙지 않고 평평한 면이 있는 아무 물건)
• 강한 전등(일반적인 전구 혹은 텅스텐 할로겐전구, 최소 100W)
• 가위

그림 7 : 지시사항 예시.

지시사항에 대한 영상과 실험은 https://www.youtube.com/watch?v=TKF3OKxwM8g에서 볼 수 있다.

2인 1조의 학생들에게 준비물을 나눠준다.

• 심지 준비하기:

가. 종이 손수건과 냅킨은 여러 층으로 되어있어야 한다. 한 장을 1/4로 자른다.

나. 만약 티백을 사용한다면 가장 윗부분을 잘라 비워서 사용한다. 티백을 펼친다.

• 몇 센티미터의 (냅킨, 손수건, 티백) 튜브를 만들어 그릇 위에 세운다. 안정적으로 서있어야 한다. 심지가 넘어질 정도로 공기의 흐름이 생기는 갑작스러운 행동이나 빠른 움직임은 하지 않는다.
• 심지에 불을 켠다.

학생들과 어떤 일이 일어났는지에 대해서 논의한다. 학생들은 자신이 본 것에 대해서 상세히 설명하도록 한다. 심지가 타는 동안 종이가 잠시 떠오른다.

질문 : 불타는 종이 주변의 공기는 어떻게 되었나요?

예상 답 : 열을 받아요.

질문 : 열을 받은 공기는 어떻게 되었나요?

예상 답 : 올라갔어요.

질문 : 마지막에 타오르는 종이가 떠오르게 된 이유에 대해서 설명할 수 있나요?

예상 답 : 공기가 상승함에 따라 종이가 끌려 올라간 것이에요.

활동 2 : 상승기류 탑

이 활동은 열을 가진 공기가 상승하는 원리를 설명한다. 열원이 오래 존재할수록 열을 가진 공기에 의한 상승기류는 지속된다. 학생들은 상승 기류 탑 모형을 만들어서 이 현상에 대해 경험할 수 있을 것이다. 그리고 난 후 지구의 공기 순환 시스템의 과정과 열대 수렴대를 공기 순환 개념으로 설명할 수 있을 것이다.

학생들에게 상승 기류 탑 모형을 만들 것이라고 이야기한다. 학생들에게 이 모형은 소규모의 수직 바람을 보여주기에 좋은 방법이라고 설명한다.

한 조 당 한 세트로 다음 준비물을 준비한다.

• 가위
• 가능하다면 납작한 펜치
• 풀(판지에 사용)
• 연필 혹은 비슷한 뾰족한 물건
• 양초의 알루미늄 랩
• 압정

아래는 대체품:

대체품 1

• 판지 튜브(주방 티슈 안쪽에 있는 것)
• 검은색 물감과 붓 혹은 검은색 종이
• 판지 한 장(대략 넓이 1cm, 길이 8cm)

대체품 2

• 활동지에 제시되어 있는 구조 견본
• 검은색 판지(22cm x 20cm)
• 판지 한 조각(견본에 보이는 것처럼 대략 넓이 1cm, 길이 12cm)

그림 8 : 상승 기류 모형을 만드는데 필요한 준비물(사진: M. Nielbock).

견본 만들기(작은 크기 버전, 원래 크기 버전은 첨부되어 있다.)

만드는 방법

대체품 1:

첫 번째 버전은 만들기 쉽지만 예시에 있는 판지 튜브가 다소 좁기 때문에 효과적이지는 않다.

1. 판지 튜브의 바깥쪽을 검은색으로 채색하거나 검은색 종이를 붙인다.

대체품 2:

두 번째 버전은 탑의 직경과 팬을 맞추어야 한다.

• 제공된 구조 견본에 따라 검은색 판지를 준비한다.
• 판지의 빗금 부분을 수직으로 접는다.
• 튜브의 빗금 부분을 풀칠한다.
• 회색 부분을 잘라 내거나 이 부분을 아래쪽에서 위로 잘라내어 덮개처럼 접는다.

그림 9 : 탑을 만들기 위한 준비물 한 세트[완성본](사진: M. Nielbock).

일반적인 방법:

• 이제 양초 랩을 사용해서 팬을 만들어보자. 이 부분은 상당히 정교해야하며 조심스럽게 만들어야한다.
• 양초 랩을 같은 크기의 16개 부분으로 자른다.
• 랩의 아래 부분을 바깥쪽으로 납작하게 만든다.
• 랩 아래의 내부 원을 잘라서 확장한다.
• 팬의 가장 중심 부분을 연필로 눌러서 작은 홈을 만든다. 구멍이 뚫리지 않도록 조심한다.
• 축 주위에 있는 날개 16개를 중심부에서 외각으로 접는다. 가능하면 펜치를 사용한다.
• 압정을 이용해서 작은 판지 조각의 뒷부분에서 중심부를 지나게 구멍을 뚫어 넣는다.
• 튜브의 가장 윗부분 안쪽에 작은 판지 조각을 붙인다. 이것은 원호 모양이 될 것이다.

그림 10 : 탑과 팬 준비물 세트(사진: M. Nielbock).

• 팬을 압정 위에 올린다.
• 날개를 위 아래로 구부리면서 균형을 맞춘다.

그림 11 : 상승기류 모형 완성(사진: M. Nielbock).

• 탑의 옆 부분을 강한 램프를 이용해서 비춘다.
• 팬이 회전하는 것을 관찰한다.

결과에 대해서 학생들과 토의한다.

질문 : 팬은 왜 회전하나요?

예상 답 : 탑의 안쪽에 있는 공기가 따뜻해지면서 위쪽으로 움직이기 때문입니다.

질문 : 공기는 어떻게 따뜻해지나요? 전구가 탑 안쪽을 비추지 않았을 때를 기억해봅시다.

예상 답 : 전구는 검은색 탑을 따뜻하게 합니다. 탑 내부의 공기는 따뜻하게 됩니다.

질문 : 아래쪽에 있는 구멍은 무엇인가요?

예상 답 : 탑에 새로운 공기를 불어 넣어 보충해주는 구멍입니다.

질문 : 만약 이 실험 모형을 지구상에 일어나는 현상과 비교해본다면 적도 인근을 비추는 태양은 어떤 역할을 하나요? 그 지방의 지표면과 그 위에 있는 공기는 어떻게 되나요?

예상 답 : 태양이 지표를 따뜻하게 데워서 공기도 열을 받게 됩니다. 상승 기류 탑 모형에서 본 것처럼 데워진 공기는 상승하게 되고 공기의 상승 기류는 지속적으로 만들어 집니다.

질문 : 공기가 높은 고도에 도달했을 때 어떤 일이 일어나는지 생각해 볼 수 있을까요?

예상 답 : 공기는 식게 되고 수증기는 비로 응결됩니다.

질문 : 다시 상승 기류 탑으로 돌아와서, 탑 내부에 공기를 보충해 줄 수 있도록 아래 부분에 덮개가 있어요. 지구에도 이와 비슷한 현상이 일어나는데 우리는 수평적으로 공기가 움직이는 것을 보고 뭐라고 하죠?

예상 답 : 바람이요.

활동 3 : 활동지 – 지구의 바람 동력

열원이 공기를 데우고 상승 기류를 만든다는 것을 알아보았다. 같은 과정은 지구에서도 일어난다.

질문 : 그림 5를 봅시다. 지구에서 태양의 열이 가장 효율적으로 들어오는 곳이 어디인가요?

예상 답 : 적도 부근입니다.

질문 : 대기가 직접적으로 따뜻해지게 되면 상당히 비효율적입니다. 상승기류 탑 실험을 생각해봤을 때 전구는 공기를 데우지 못합니다. 태양 에너지가 결국 공기를 데우게 하는 과정에 대해서 설명해보세요.

예상 답 : 태양 복사는 땅을 데우고 땅은 공기를 데웁니다. 이 현상은 높은 고도에서 보다 지표면 근처에서 좀 더 효율적으로 일어납니다.

질문 : 대기의 어느 층이 가장 강하게 열을 받을까요?

예상 답 : 지표면 바로 근처요.

올바른 속성을 나타내라:

지표면에 가까운 공기는 따뜻하다/차갑다.

지표면에서 높은 고도에 있는 공기는 따뜻하다/차갑다.

질문 : 공기가 지표면에 가까워지게 되면 어떤 일이 일어날까요? 낮은 고도와 높은 고도의 온도 차이를 고려해보세요.

예상 답 : 지표면 가까이에 있는 공기는 차가운 공기 위로 올라가게 됩니다.

질문 : 따뜻한 공기는 차가운 공기보다 더 많은 수증기를 함유할 수 있습니다. 공기가 대기의 높은 층으로 올라가게 되면 어떤 일이 일어날까요? 집에서 물을 끓일 때 따뜻한 공기가 차가운 공기나 차가운 물체를 만나게 되면 어떤 일이 일어났었는지 생각해 봅시다.

예상 답 : 수증기가 응결하기 시작해 점차 구름이 되고 점점 더 커지게 되면 비가 됩니다.

질문 : 지구의 적도 지역에 일 년 내내 비가 많이 내리는 이유에 대해서 설명할 수 있나요?

예상 답 : 온난 다습한 공기는 좀 더 차가운 공기 위로 올라가는데 이곳에서 공기는 비로 응결됩니다. 이 현상이 거의 일 년 내내 발생합니다.

질문 : 적도 인근 지역은 열대 수렴대 즉, ITCZ라고 불립니다. 일부 지점에서 공기는 더 이상 높이 올라가지 않는데요. 여기서 공기는 남쪽과 북쪽으로 흩어집니다. 이러한 고도에서 공기는 지속적으로 차가워지게 됩니다. 차가운 공기는 어떻게 될까요?

예상 답 : 차가운 공기는 지표면과 가까운 곳으로 내려오게 됩니다.

질문 : 우리는 차가운 공기가 따뜻한 공기보다 수증기를 적게 함유하고 있음을 언급했습니다. 적도의 남쪽과 북쪽 지역의 사막이 건조한 이유를 설명할 수 있을까요? 공기가 다시 지표면으로 돌아오게 되면 어떤 일이 일어나나요?

예상 답 : 따뜻한 공기가 차가운 층으로 올라가게 되면 수증기를 효율적으로 저장할 수 없기 때문에 비로 떨어지게 됩니다. 공기는 이 과정에서 건조해지게 되는데요. 공기가 내려오게 되면 공기는 데워지게 되고 더 많은 습기를 함유할 수 있게 됩니다. 습한 공기를 보충하지 않으면 공기는 점점 더 건조해지게 됩니다.

질문 : 지표면으로 다시 돌아와서 적도 지역으로 공기가 흐르는데 공기는 ITCZ로 모여듭니다. 우리는 이러한 바람을 ‘무역풍’이라고 부릅니다. 이 바람을 왜 무역풍이라고 부르는지 생각해 볼 수 있을까요?

예상 답 : 무역풍은 화물선이 긴 거리를 항해하는데 도움을 주는 상당히 지속적인 현상입니다. 무역풍의 방향은 일정하기 때문에 배들은 길을 잃지 않습니다.

질문 : 온도가 지속적으로 상승하게 되면 일반적으로 바람과 날씨가 어떻게 될지 예측해봅시다.

예상 답 : 온도는 상승 기류를 만드는 주요 동력입니다. 온도가 높아질수록 더 많은 물이 증발하여 대기 중에 차게 됩니다. 결과적으로 ITCZ와 관련된 현상이 좀 더 강화될 것입니다.

질문 : 이는 실제로 일어나고 있는 현상인데요. 이를 보고 지구 온난화라고 합니다. 만약 이 과정에서 우리가 멈추지 않는다면 어떤 일이 일어날지 설명해봅시다.

예상 답 : 기후 변화의 측면에서 날씨 상황이 좀 더 극단적으로 변할 것이며 특히 적도 인근 지역에서 심할 것입니다.

우리는 적도 지방에서 시작해서 끝나는 전체 공기 순환 시스템에 대해서 알아보았습니다. 이 시스템을 해들리 세포라고 부릅니다. 관련된 구성 요소와 과정에 대한 도식을 그려볼 수 있을까요? 출발점으로 아래에 준비된 그림을 사용해봅시다.

커리큘럼

결론

이 활동은 열대와 아열대 기후를 야기하는 지구상의 공기 순환 체계를 추진하는 태양의 힘에 대해서 세 가지 부분으로 구성되어 있다. 학생들은 실험을 통해서 따뜻해진 공기가 차가운 공기 위로 올라가는 원리와 열원이 지속적으로 공급이 되면 프로펠러까지 움직이게 할 수 있는 대기 순환이 발생되는 원리를 배운다. 그리고 학생들은 적도 지방의 대기 대순환에 대한 큰 그림을 담고 있는 활동지를 공부하면서 배운 것들을 적용할 수 있다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 송인옥 박사님과 심현진 교수님, 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.