코리올리힘

회전하는 계에서 운동하는 물체에 작용하는 관성력. 전향력이라고도 한다. 1835년 프랑스 과학자 코리올리(G. de Coriolis, 1792-1843)가 설명했으며 보통 기상학에서 지구의 자전에 의한 효과를 고려할 때 쓰인다. 코리올리힘은 북반구에서 운동 방향의 오른쪽, 남반구에서 운동 방향의 왼쪽으로 작용한다. 코리올리효과란 코리올리힘에 의해 물체가 휘는 것을 말한다.

그림 1. 북반구와 남반구에서의 코리올리효과

회전계의 회전 각속도를 @@NAMATH_INLINE@@\Omega@@NAMATH_INLINE@@라고 할 때, 속도 @@NAMATH_INLINE@@\mathbf{v}@@NAMATH_INLINE@@로 운동하는 물체에 대해 코리올리힘은 다음과 같이 벡터곱으로 주어진다. @@NAMATH_DISPLAY@@\mathbf{F}_C = 2m \mathbf{v}\times \mathbf{\Omega}@@NAMATH_DISPLAY@@지상에서 움직이는 물체에 대해 지면을 기준으로 하면 자전의 효과로 관성계가 아니라 회전하는 비관성계인데, 북극 위에서 볼 때 반시계방향으로 회전하므로 북반구에서는 각속도벡터가 하늘 방향이고 남반구에서는 지면으로 들어가는 방향이다. 따라서 위 공식에 의하면 북반구에서는 물체가 어느 방향으로 움직이건 운동 방향을 기준으로 그림 1과 같이 오른쪽으로 향하는 코리올리힘을 받고 남반구에서는 반대로 왼쪽으로 향하는 코리올리힘을 받는다. 적도에서는 코리올리 힘이 0이 되는데 그것은 적도에서의 자전에 의한 회전각속도가 지면방향이므로 벡터곱의 방향에 따라서 코리올리힘은 지면에 수직한 성분만 갖기 때문이다. 즉 지구 자전에 의한 효과로 받는 관성력 중 운동속도에 비례하는 것이 코리올리힘이며, 흔히 그 중 지면에 평행한 성분을 의미한다. 지면에 수직인 성분에 의한 효과를 외트뵈스(Eötvös)효과라고 한다.

지구는 하루에 한 바퀴 돌기 때문에 그에 따른 각속도를 계산할 수 있는데, 그에 의한 코리올리힘은 중력과 비교할 때 보통 아주 작아서 대부분의 경우 무시할 수 있다. 코리올리힘의 영향이 나타나는 것은 빨리 움직이는 물체가 오랜 시간 이동하는 경우이다. 17세기 이탈리아 과학자 리치올리(G.B. Riccioli, 1598-1671)는 북쪽으로 쏜 포탄이 동쪽으로 쏠리는 것이 지구의 회전 때문이라고 설명했다. 푸코의 진자가 지나가는 경로가 지면에 대해 시계 방향으로 도는 것도 코리올리 효과에 의한 것이다. 바람과 해류도 북반구에서는 오른쪽으로 휘어나가고 남반구에서는 반대로 왼쪽으로 휘면서 진행한다.

그림 2. 북반구에서의 태풍의 모양.

그림2의 태풍 위성 사진을 보면 북반구에서 중심부를 향해 시계반대방향으로 돌아들어가는 것을 관찰할 수 있다. 태풍의 모양은 중심부와 바깥쪽의 압력차이에 의한 힘과 코리올리힘이 동시에 작용한 결과이다. 역시 남반구에서는 반대 방향으로 돈다. 흔히 욕조나 세면대의 물이 배수구로 흘러나갈 때 소용돌이가 생기는 것도 코리올리효과 때문에 항상 같은 방향으로 생긴다고 생각하는데, 실제로 욕조 정도의 크기에서는 코리올리 힘이 작기 때문에 소용돌이 방향은 원래 물이 흐르던 방향, 욕조의 모양과 방향 등에 의해 결정되며 조심스럽게 모든 인위적 조건을 제거해야만 코리올리 효과를 볼 수 있다.