맨위로가기

혼합층

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

혼합층은 대기, 해양, 호수 등에서 나타나는 현상으로, 수온과 염분 등의 특성이 층 전체에서 비교적 균일하게 나타나는 수심층을 의미한다. 대기 혼합층은 대류 공기 운동으로 인해 형성되며, 해양 혼합층은 바람, 파도, 해류 등의 작용으로 형성된다. 혼합층의 깊이는 기후 시스템과 해양 생태계에 중요한 영향을 미치며, 특히 해양 혼합층 내의 열 저장과 식물성 플랑크톤의 번식에 중요한 역할을 한다. 또한 혼합층과 수온약층 사이에는 차단층이 존재하여 해양의 열 저장과 엘니뇨 현상 등에 영향을 미친다. 호수에서도 유사한 혼합층 현상이 나타나며, 한국 주변 해역의 혼합층은 계절에 따라 깊이가 변화하며 해양 생태계에 영향을 준다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 육수학 - 심해
    심해는 수심 200m 이상의 깊은 바다로, 태양광이 희박하고 높은 수압, 낮은 수온, 부족한 영양분 등 극한 환경을 가지며, 독특한 심해 생물과 생태계가 존재하지만 최근 인간 활동으로 위협받고 있고, 탐사를 통해 새로운 종과 자원이 발견되고 있다.
  • 육수학 - 물웅덩이
    물웅덩이는 빗물 등으로 인해 지표면에 일시적으로 고인 물로, 자연적으로 사라지기도 하지만 도로 등 인공적인 요인으로 발생하기도 하며, 야생동물에게 수분 공급원이 되거나 질병 매개체가 되기도 하고, 교통사고나 아이들의 놀이 공간이 되기도 한다.
  • 물리해양학 - 엘니뇨
    엘니뇨는 2~7년 주기로 동태평양 해수면 온도가 높아지는 기후 현상으로, 전 지구적 기후와 지역별 기상 이변, 경제 및 사회, 생태계에 광범위한 영향을 미친다.
  • 물리해양학 - 심해
    심해는 수심 200m 이상의 깊은 바다로, 태양광이 희박하고 높은 수압, 낮은 수온, 부족한 영양분 등 극한 환경을 가지며, 독특한 심해 생물과 생태계가 존재하지만 최근 인간 활동으로 위협받고 있고, 탐사를 통해 새로운 종과 자원이 발견되고 있다.
  • 대기열역학 - 녹는점
    녹는점은 고체가 액체로 변하는 온도로, 물질의 순도 확인 및 소재 개발에 활용되며, 압력, 불순물, 결정 구조 등의 영향을 받는다.
  • 대기열역학 - 승화 (화학)
    승화는 고체가 액체 상태를 거치지 않고 기체로 직접 변하는 물리적 변화 과정으로, 드라이아이스나 요오드와 같은 물질에서 나타나며 동결건조, 지문 검출, 고순도 물질 정제 등에 활용된다.
혼합층
개요
정의활발한 난류가 특정 깊이 범위에서 균질화된 층
특징일정한 온도
일정한 염도
일정한 밀도
형성
요인표면 냉각
바람 응력
역할
기능열 교환
기체 교환
영양분 수송
중요성
의미해양 생태계 및 지구 기후 시스템에 중요한 영향

2. 대기 혼합층

혼합층 또는 대류 경계층(convective boundary layer)은 지표면 온도가 대기보다 높아 발생하는 대류 현상으로 인해 형성되는 대기경계층이다.[17]

2. 1. 대기 혼합층의 형성

대기 혼합층은 대류 공기 운동의 결과로, 일반적으로 지표면의 공기가 따뜻해져 상승하는 낮 시간에 관찰된다. 레일리-테일러 불안정성에 의해 혼합된다.[17] 혼합층 깊이를 결정하는 표준 절차는 온위의 프로파일을 검사하는 것이다. 온위는 열을 얻거나 잃지 않고 표면에서 발견되는 압력으로 공기를 가져왔을 때 공기가 가질 온도이다. 압력이 증가하면 공기가 압축되므로 온위는 현장 온도보다 높으며, 그 차이는 대기에서 더 높이 올라갈수록 증가한다. 대기 혼합층은 (대략) 일정한 온위의 층, 또는 구름이 없는 경우 온도가 약 10°C/km의 비율로 떨어지는 층으로 정의된다. 이러한 층은 습도에 기울기를 가질 수 있다. 해양 혼합층의 경우와 마찬가지로, 속도는 대기 혼합층 전체에서 일정하지 않다.

3. 해양 혼합층

바람에 의해 활발한 수직 혼합이 일어나면서 수온과 염분 등이 비슷하게 나타나는 수심층을 혼합층이라고 한다. 혼합층의 수심은 지역, 계절, 날씨에 따라 다르지만, 바람이 강하게 부는 중위도 지역에서는 비교적 깊게 나타난다.[1]

해양 파도는 해수면 근처에서 난류를 생성하여 혼합층 형성에 기여한다.[1] 이 과정은 상층 몇 미터 이내에 많은 양의 에너지를 주입하지만, 대부분 비교적 빠르게 소멸된다.[2] 바람에 의한 해류는 속도 전단을 발생시켜 혼합을 유발하며, 이러한 전단이 충분히 크면 층상 유체로 침투할 수 있는데, 이는 켈빈-헬름홀츠 불안정의 예로 설명된다.[3][4] 해수면 냉각, 해빙으로부터의 염수 첨가, 또는 증발로 인해 표면 밀도가 증가하면 대류가 발생한다. 래브라도 해와 같은 지역에서 2000m를 초과하는 가장 깊은 혼합층은 레일리-테일러 불안정을 통해 형성된다.[18] 연안 지역에서는 조류로 인한 큰 속도가 혼합층을 형성하는 데에도 중요한 역할을 할 수 있다.

혼합층의 깊이는 수문지리에 의해 결정되며, 이는 물의 특성을 측정하여 이루어진다. 혼합층 깊이를 결정하는 데 자주 사용되는 두 가지 기준은 기준값(보통 표면 측정값)으로부터의 온도 및 시그마-''t''(밀도) 변화이다. Levitus(1982)에서 사용된 온도 기준은 혼합층을 표면 온도에서 0.5°C의 온도 변화가 있는 깊이로 정의한다. 그러나 Kara et. al.(2000)의 연구에 따르면 온도 차이는 0.8°C에 더 가깝다.[6] Levitus에서 사용된 시그마-''t'' (밀도) 기준은 표면 시그마-''t''에서 0.125의 변화가 발생한 깊이를 사용한다. 어느 기준도 항상 혼합층 깊이까지 활발한 혼합이 발생한다는 것을 의미하지는 않는다. 오히려, 수문지리로부터 추정된 혼합층 깊이는 몇 주 동안 혼합이 발생하는 깊이의 척도이다.

3. 1. 해양 혼합층의 중요성

해양 혼합층은 지구 기후 시스템에서 중요한 역할을 한다. 해수는 공기보다 비열이 훨씬 커서, 해양 상층 2.5m는 그 위에 있는 전체 대기와 같은 양의 열을 담고 있다. 따라서 2.5m 혼합층의 온도를 1°C 변화시키는 데 필요한 열은 대기 전체 온도를 1°C 올리기에 충분하다. 혼합층의 깊이는 해양 및 연안 지역의 온도 범위를 결정하는 데 매우 중요하며, 엘니뇨와 같은 전 지구적 기후 변동성을 유발하는 열에너지의 주요 공급원이기도 하다.[18]

또한 혼합층은 해양 생물이 받는 평균적인 빛의 양을 결정하므로 해양 생태계에도 중요하다. 매우 깊은 혼합층에서는 식물성 플랑크톤이 신진대사를 유지하기에 충분한 빛을 얻을 수 없다. 북대서양에서 겨울철 혼합층이 깊어지면 표면 엽록소 a가 급격히 감소하는 것이 이러한 이유 때문이다. 그러나 깊은 혼합은 표면 근처의 영양분을 보충하는 역할도 한다. 봄에 혼합층이 얕아지고 빛의 양이 증가하면, "봄철 번식"이라고 불리는 식물성 플랑크톤 생물량의 증가가 나타나는 것은 이러한 순환 과정의 결과이다.

3. 2. 해양 혼합층의 형성

해양 파도는 해수면 근처에서 난류를 생성하여 혼합층 형성에 기여한다.[1] 이 과정은 상층 몇 미터 이내에 많은 양의 에너지를 주입하지만, 대부분 비교적 빠르게 소멸된다.[2] 바람에 의한 해류는 속도 전단을 발생시켜 혼합을 유발한다. 이러한 전단이 충분히 크면 층상 유체로 침투할 수 있는데, 이는 켈빈-헬름홀츠 불안정의 예로 설명된다.[3][4] 해수면 냉각, 해빙으로부터의 염수 첨가, 또는 증발로 인해 표면 밀도가 증가하면 대류가 발생한다. 래브라도 해와 같은 지역에서 2000m를 초과하는 가장 깊은 혼합층은 레일리-테일러 불안정을 통해 형성된다.[18] 연안 지역에서는 조류로 인한 큰 속도가 혼합층을 형성하는 데에도 중요한 역할을 할 수 있다.

3. 3. 해양 혼합층 깊이 결정

혼합층의 깊이는 수문지리에 의해 결정되며, 이는 물의 특성을 측정하여 이루어진다. '''혼합층 깊이'''를 결정하는 데 자주 사용되는 두 가지 기준은 기준값(보통 표면 측정값)으로부터의 온도 및 시그마-''t''(밀도) 변화이다. Levitus[5](1982)에서 사용된 온도 기준은 혼합층을 표면 온도에서 0.5°C의 온도 변화가 있는 깊이로 정의한다. 그러나 Kara et. al.(2000)의 연구에 따르면 온도 차이는 0.8°C에 더 가깝다.[6] Levitus[5]에서 사용된 시그마-''t'' (밀도) 기준은 표면 시그마-''t''에서 0.125의 변화가 발생한 깊이를 사용한다. 어느 기준도 항상 혼합층 깊이까지 활발한 혼합이 발생한다는 것을 의미하지는 않는다. 오히려, 수문지리로부터 추정된 혼합층 깊이는 몇 주 동안 혼합이 발생하는 깊이의 척도이다.

3. 4. 차단층 (Barrier layer)

차단층(Barrier layer)은 혼합층과 수온약층 사이에 존재하는 층으로, 온도와 밀도 변화의 차이에 의해 발생한다.[7] 이는 온도 변화로 계산된 혼합층 깊이와 밀도로 계산된 혼합층 깊이의 차이로 정의된다.[8] 이러한 차이를 차단층이라고 처음 언급한 것은 서부 적도 태평양 해양 순환 연구에서 관측 결과를 설명하는 논문에서였다.[8]

차단층이 존재하는 곳에서는 담수(즉, 더 가벼운)가 위에 위치하여 강한 부력으로 층이 안정화된다. 과거에는 표면 온도가 일정 값만큼 변하는 깊이를 혼합층 깊이(MLD)의 기준으로 삼았다. 예를 들어, Levitus는 0.5 °C 변화를 기준으로 사용했다.[5] 최근에는 밀도 기준을 사용하여 MLD를 정의하며, 이는 표면 염분을 유지하면서 지정된 온도 감소(예: 0.2 °C)로 인해 밀도가 증가하는 깊이를 의미한다.

차단층은 해양의 층상 구조를 안정화시키고, 열과 염분의 수직 교환을 억제한다.

3. 4. 1. 차단층 형성 조건

적도 지역에서는 강수량이 증발량보다 많은 지역(예: 서태평양)에서 차단층(장벽층)이 형성될 수 있다. 계절풍의 영향을 받는 지역에서는 강 유출이 많은 지역(예: 북인도양)에서 나타날 수 있다. 아열대 지역에서는 침강된 염분 농도가 높은 물의 이류에 의해 발생할 수 있다(모든 아열대 해양 순환에서 발견됨).[9]

아열대 지역에서 차단층 형성은 혼합층 깊이의 계절적 변화, 정상보다 더 가파른 해수면 염분 경사, 그리고 이 해수면 염분 전선을 가로지르는 침강과 관련이 있다.[9] 특히, 장벽층은 아열대 염분 최대값의 적도쪽 가장자리에서 겨울철에 형성된다. 초겨울 동안 대기는 표면을 냉각시키고 강한 바람과 부력 감소로 인해 깊은 층까지 온도가 혼합된다. 동시에 열대 지방의 강우 지역에서 담수 염분이 이류된다. 깊은 온도 층과 염분에서의 강한 성층화는 장벽층 형성을 위한 조건을 제공한다.[10]

서태평양의 경우 차단층 형성 메커니즘은 다르다. 적도를 따라 따뜻한 풀의 동쪽 가장자리(일반적으로 28 °C 등온선)는 서쪽의 따뜻한 담수와 중앙 태평양의 차갑고 염분 농도가 높은 용승수의 경계 구역이다. 염분 농도가 높은 물이 동쪽에서 따뜻한 풀로 지역 수렴 또는 따뜻한 담수가 더 밀도가 높은 물을 덮어쓰기 때문에 등온층에서 염분 농도가 높은 물이 침강될 때 장벽층이 형성된다. 여기서 약한 바람, 강한 강수, 낮은 염분 농도의 물의 동쪽 이류, 염분 농도가 높은 물의 서쪽 침강 및 하강하는 적도 켈빈 또는 로스비파는 깊은 차단층 형성에 기여하는 요인이다.[11]

3. 4. 2. 차단층의 중요성

엘니뇨 현상이 발생하기 전에는, 따뜻한 해수역이 열을 저장하고 극서 태평양에 갇혀 있게 된다.[12] 엘니뇨 현상 동안에는, 따뜻한 해수역이 강수 및 해류 이상과 함께 동쪽으로 이동한다. 이 기간 동안 편서풍의 바람이 미치는 거리가 증가하여 현상을 강화한다. 서태평양의 기회 선박 및 열대 대기 - 해양(TAO) 계류장에서 얻은 데이터를 이용하여, 1992년부터 2000년까지 해수면 염분(SSS), 해수면 온도(SST), 해류, 그리고 다양한 연구 항해에서 얻은 전도도, 온도, 깊이 데이터를 이용하여 따뜻한 해수역의 동서 이동을 추적했다.[12]

이 연구는 서쪽으로의 흐름 동안, 적도(138oE-145oE, 2oN-2oS)를 따라 서태평양의 혼합층(BLT)이 18m ~ 35m 사이였으며, 이는 따뜻한 SST와 일치하며 열의 효율적인 저장 메커니즘 역할을 한다는 것을 보여주었다. 장벽층의 형성은 따뜻한 해수역을 정의하는 염분 전선의 동쪽 가장자리 근처 적도를 따라 서쪽으로(즉, 수렴하고 침강하는) 해류에 의해 발생한다. 이러한 서쪽 해류는 하강 로스비 파에 의해 발생하며, BLT의 서쪽 이류 또는 로스비 파 역학(즉, 이러한 파동은 상부 수주의 수직 신장을 선호함)에 의한 더 깊은 열염약층의 얕은 염분약층에 대한 선호적인 심화를 나타낸다. 엘니뇨 현상 동안에는, 서풍이 따뜻한 해수역을 동쪽으로 이동시켜 신선한 물이 동쪽의 더 차갑고/염분이 많고/밀도가 높은 물 위에 놓이게 한다.

결합된 대기/해양 모델을 사용하여 엘니뇨 전에 1년 동안 BLT를 제거하도록 혼합을 조정한 결과, 장벽층과 관련된 열 축적이 대규모 엘니뇨의 필수 조건임이 밝혀졌다.[13] 서태평양에서 SSS와 SST 사이에 밀접한 관계가 있으며, 장벽층이 염분 성층화된 층 내에서 따뜻한 해수역의 열과 운동량을 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다.[14] 이후의 연구, 특히 아르고 부표를 이용한 연구는 엘니뇨 현상 동안 따뜻한 해수역의 동쪽 이동과 서태평양의 장벽층 열 저장 사이의 관계를 확인했다.[15] 장벽층의 주요 영향은 얕은 혼합층을 유지하여 공기-해양 결합 반응을 강화하는 것이다. 또한, BLT는 엘니뇨/라니냐 동안 교란되는 평균 상태를 설정하는 핵심 요소이다.[16]

4. 호소 혼합층

호수에서 혼합층은 해양 혼합층과 유사한 메커니즘으로 형성된다. 바람에 의해 활발한 수직 혼합이 일어나면서 수온과 염분 등이 비슷하게 나타나는 수심층을 뜻한다. 혼합층의 깊이는 지역, 계절, 날씨에 따라 다르지만, 바람이 강하게 부는 중위도 지역에서는 비교적 깊다.[18]

4. 1. 호소 혼합층의 형성

호수에서 혼합층 형성은 바다와 유사하지만, 호수에서는 물의 분자적 특성만으로도 혼합이 더 잘 일어날 수 있다. 물은 온도에 따라 밀도가 변한다. 호수에서 온도 구조는 담수가 3.98°C에서 가장 밀도가 높다는 사실 때문에 복잡해진다. 따라서 표면이 매우 차가워지는 호수에서는 봄에 표면이 따뜻해지고 가을에 표면이 식으면서 혼합층이 잠시 바닥까지 확장된다. 이러한 뒤집기는 매우 깊은 호수의 산소 공급을 유지하는 데 종종 중요한 역할을 한다.[18]

호소학 연구는 염분을 포함한 모든 내륙 수역을 포괄한다. 염호와 바다(예: 카스피해)에서 혼합층 형성은 일반적으로 바다와 유사하게 나타난다.

5. 한국 주변 해역의 혼합층

한국 주변 해역(동해, 서해, 남해)의 혼합층은 계절에 따라 큰 변화를 보인다. 특히, 황해는 수심이 얕고 조석 간만의 차가 커서 혼합층이 깊게 형성되는 경향이 있다. 동해는 상대적으로 깊은 수심과 강한 바람의 영향으로 혼합층이 깊게 형성될 수 있다.[18] 혼합층의 깊이 변화는 해양 생태계(어류, 플랑크톤 등)와 기후에 큰 영향을 미친다.

참조

[1] 논문 On the penetration of a turbulent layer into a stratified fluid
[2] 논문 Enhanced dissipation of kinetic energy beneath surface waves
[3] 간행물 A Rational model for Langmuir circulations
[4] 간행물 Structure and variability of the Ekman spiral in the presence of surface gravity waves
[5] 서적 Climatological Atlas of the World Ocean ftp://ftp.nodc.noaa.[...] U.S. Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration 1982-12
[6] 논문 An optimal definition for ocean mixed layer depth
[7] 논문 Evidence of the barrier layer in the surface-layer of the tropics
[8] 논문 The Mixed Layer of the Western Equatorial Pacific-Ocean
[9] 논문 Barrier layers in the subtropical gyres of the world's oceans
[10] 논문 Control of salinity on the mixed layer depth in the world ocean: 2. Tropical areas
[11] 논문 Barrier layer variability in the western Pacific warm pool from 2000 to 2007 https://hal.archives[...]
[12] 논문 Interannual sea surface salinity and temperature changes in the western Pacific warm pool during 1992-2000
[13] 논문 Importance of the salinity barrier layer for the buildup of El Niño
[14] 논문 Observed correlation of surface salinity, temperature and barrier layer at the eastern edge of the western Pacific warm pool
[15] 논문 Control of salinity on the mixed layer depth in the world ocean: 2. Tropical areas
[16] 논문 On the Impact of Salinity Barrier Layer on the Pacific Ocean Mean State and ENSO https://www.jstage.j[...]
[17] 웹인용 혼합층 https://terms.naver.[...] 2024-11-20
[18] 웹인용 혼합층 https://terms.naver.[...] 2024-11-20


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com