정역학평형

요약 연직 방향의 기압 차이로 인한 연직 기압 경도력과 지구의 중력이 평형을 이루는 평형 상태를 말하며, 이때 공기는 수직 운동이 없는 정적 상태가 된다.

공기는 기압의 차이로 이동한다. 기압 차이에 의해 생기는 힘이 기압경도력이며, 물에서 수압차에 의한 힘이 수압경도력이다. 이 힘이 바람이나 해류를 일으키는 기본적인 힘이 된다.

상공으로 올라갈수록 기압이 급속도로 감소하기 때문에 연직 기압경도력은 항상 위쪽으로 강하게 작용한다. 그럼에도 공기가 우주 공간으로 빠져 나가지 않는 이유는 무엇일까? 그것은 위로 작용하는 연직 기압경도력이 거의 항상 아래로 작용하는 중력과 평형을 이루기 때문이다. 이 두 힘이 정확한 평형을 유지할 때의 공기 상태를 정역학 평형이라고 한다. 이때 '연직 기압 경도력 = 중력'과 같게 된다. 이 때문에 바람은 수평 성분의 흐름인 이류(advection)를 뜻하는 것이다.

정역학 평형 상태에서 기압의 변화는 공기의 밀도와 중력 가속도에 따라 달라진다. 그런데 공기 분자는 지표면 근처에만 존재하기 때문에 지표면 근처에서의 중력가속도는 일정 높이까지 거의 일정하다. 따라서 기압의 변화는 밀도에 의해서 결정되어진다. 밀도가 증가할수록 기압의 변화도 커지게 된다. 따뜻한 공기보다 차가운 공기에서 밀도가 크기 때문에 고도가 증가할수록 기압은 급격히 감소한다.

정역학 평형은 대기와 해수 그리고 태양에서 볼 수 있는 역학적 평형 상태이다.

태양의 경우는 기체로 구성되어 있으며, 중심 핵의 온도가 매우 높고 표면인 광구의 온도가 매우 낮다. 따라서 태양은 고온에서 저온으로 팽창해야 하는데 자체 중력에 의해 팽창 압력이 중력과 같은 상태가 되어 그 모양을 유지하고 있는 것이다. 따라서 태양의 상태는 '팽창 압력 = 태양의 중력'과 같게 된다. 

해수의 경우도 하층이 상층보다 수압이 크므로 해수는 아래에서 위로 이동해야 하나, 중력과 연직 수압경도력이 평행 상태인 정역학 평형 상태에 있기 때문에 해류는 수평으로 흐르는 것이다. 이때 해수는 '연직 수압경도력 = 중력'과 같게 된다. 이러한 정역학 평형 상태로 인해 대기나 해수의 연직 순환보다는 수평 순환이 활발하다.