대류·장애물 바람과 윈드시어 — 조종사 핸드북 12장 (2/5)

앞 편 대기 조성·순환과 기압의 고기압·저기압 패턴은 큰 그림입니다. 파이널에서 접지점이 밀리거나, 활주로 옆 격납고 뒤에서 갑자기 가라앉는 일은 그 그림만으로는 설명이 안 됩니다. 이번 편은 지표면 가까이에서 풍향·풍속을 꺾는 국지 순환입니다.

대류 기류 — 민둥땅은 밀어 올리고 호수는 끌어내린다

갈아엎은 땅, 바위, 모래, 민둥땅은 태양열을 빨리 받아 많이 내놓습니다. 물과 나무, 넓은 식생은 더디게 받고 더디게 내놓습니다. 데워지는 속도가 다르면 작은 국지 순환이 생기고, 이를 대류 기류(convective currents)라고 합니다.

따뜻한 날 낮은 고도에서 울퉁불퉁하게 느껴지는 난기류가 대개 이것입니다. 표면이 바뀌는 위를 낮게 가면 포장·민둥땅 위에는 상승, 물이나 넓은 나무 군락 위에는 하강이 오기 쉽습니다. 적운층 위까지 고도를 올리면 이 층은 보통 피할 수 있습니다.

육지가 바다나 큰 호수에 바로 붙은 곳에서 더 뚜렷합니다. 낮에는 육지가 물보다 빨리 데워져 육지 위 공기가 가볍고, 그 자리를 물 쪽에서 들어오는 차고 밀도 높은 공기가 채웁니다. 바다에서 육지로 부는 바람이 해풍(sea breeze)입니다. 밤에는 육지가 더 빨리 식습니다. 물 위 따뜻한 공기가 올라가고 육지 공기가 그 자리를 메우며 육풍(land breeze)이 되어, 낮과 순환이 반대가 됩니다.

파이널에서 이 기류는 접지점을 밉니다. 식생이 없는 지형 위의 상승은 기체를 풍선처럼 들어 올려 의도한 접지점을 지나치기 쉽게 하고, 넓은 물이나 두꺼운 식생 위의 하강은 접지점 앞에 내려앉히기 쉽습니다. 고도가 낮아 수정할 여유가 적습니다.

장애물 바람 — 격납고 뒤와 산 바람그늘

지상의 장애물은 바람의 흐름을 끊어 보이지 않는 돌풍을 만듭니다. 격납고 같은 건물부터 산, 절벽, 협곡까지입니다. 활주로 가까이에 큰 건물이나 지형이 있으면, 들고 날 때 풍향·풍속이 갑자기 바뀝니다.

난기류의 세기는 장애물 크기와 원래 풍속에 비례합니다. 착륙 중에 기체가 “떨어져 들어가” 접근 경로의 장애물을 못 넘기는 경우가 이 때문입니다. 이륙 활주 거리와 착륙 성능도 같이 깎입니다.

산에서는 같은 원리가 더 크게 나타납니다. 바람받이(windward) 쪽은 바람이 비탈을 따라 올라가고, 그 상승이 봉우리를 넘는 데 도움이 되는 경우가 많습니다. 바람그늘(leeward) 쪽은 공기가 지형을 따라 내려가며 난기류가 커지고, 기체를 산 쪽으로 밀어 넣습니다. 바람이 셀수록 하강과 난류도 커집니다.

골짜기와 협곡의 하강기류는 특히 심할 수 있습니다. 산악에 익숙하지 않다면, 그 구역을 혼자 들어가기 전에 산악 자격 교관과 체크아웃을 받는 편이 안전합니다.

저고도 윈드시어 — 정풍이 배풍으로 뒤집힐 때

윈드시어(wind shear)는 아주 좁은 구간에서 풍속이나 풍향이 갑자기 바뀌는 것입니다. 거친 상승·하강과 수평 속도의 급변이 같이 옵니다. 어느 고도에서든 생기지만, 저고도는 지면이 가까워 회복 여유가 없습니다. 지나가는 전선, 뇌우, 온도 역전, 25kt를 넘는 상층풍과 자주 겹칩니다.

배풍이 정풍으로 바뀌면 지시속도와 성능이 늘고, 정풍이 배풍으로 바뀌면 둘 다 줄어듭니다. 어느 쪽이든 즉시 파워와 자세를 다시 맞춰야 합니다. 한 박자 늦으면 경로가 이미 내려가 있습니다.

가장 심한 저고도 윈드시어는 마이크로버스트(microburst)입니다. 운저의 마른 공기 속으로 대류성 강수가 떨어질 때 생깁니다. 지면의 강한 빗줄기, 운저의 버가(virga), 먼지 고리가 단서지만, 먼지 고리만 보일 때도 있습니다. 전형적인 값은 수평 지름 1~2마일, 깊이 약 1,000피트, 수명 5~15분입니다. 그동안 하강은 6,000 fpm, 정풍 손실은 30~90kt까지 나와 성능을 한 번에 빼앗습니다.

이륙 중 마이크로버스트에 들어가면 순서는 보통 이렇게 갑니다. (1) 성능을 올려 주는 정풍 → (2) 성능을 깎는 하강기류 → (3) 빨리 커지는 배풍 → (4) 지면 충돌 또는 지면에 위험한 접근. 접근 때도 같은 순서이며, 활주로 앞에 기체를 밀어 넣을 수 있습니다.

FAA는 주요 공항에 LLWAS-NE(저고도 윈드시어 경보), TDWR(터미널 도플러 기상 레이더), ASR-9 WSP를 깔았습니다. 3년 평가에서 오경보는 매우 적었고, 의회가 요구한 90% 탐지를 넘겼습니다. 경보 장비가 없는 공항이 많기 때문에 AC 00-54 FAA Pilot Wind Shear Guide에 위험 인지, 회피, 조우 시 탈출 전략이 정리되어 있습니다. (역주: 국내 공항의 윈드시어 경보·브리핑은 AIP와 항공기상청 공지를 확인하세요.)

윈드시어는 보고되지 않은 채 남는 경우가 많습니다. 뇌우와 전선 안팎에서는 보고가 없어도 있는 것으로 보고 고도와 속도를 남겨 둡니다.

지상 일기도 — 화살은 불어 오는 쪽, 등압선은 바람의 기울기

지상 일기도는 전선과 고·저기압 위치뿐 아니라, 각 관측소의 지상풍과 기압을 보여 줍니다. 지상 분석도와 날씨 묘사도는 13장 항공 기상 서비스에서 이어집니다.

바람 화살의 머리가 관측소 원입니다. 화살은 바람이 불어 오는 쪽을 가리킵니다. 북서풍은 북서에서 남동으로 붑니다. 깃(barb) 하나 10kt, 반 깃 5kt, 삼각깃(pennant) 50kt입니다.

관측소 기압은 mb로 적고, 같은 기압을 이은 선이 등압선(isobar)입니다. 등압선은 지형도의 등고선과 같습니다. 촘촘하면 기압경도가 가파르고 바람이 강하고, 넓게 벌어지면 경도가 완만하고 바람이 약합니다. 등압선으로 고기압·저기압, 길쭉한 고기압인 능(ridge), 길쭉한 저기압인 골(trough)도 찾습니다.

지면 가까이에서는 마찰 때문에 풍향이 꺾이고 풍속이 줄어듭니다. 지상 2,000~3,000피트에서는 속력이 더 크고 방향은 등압선에 더 나란합니다. 경험 법칙으로, AGL 2,000피트 바람은 지상풍보다 오른쪽 20°~40°이고 더 셉니다. 변화량은 거친 지형에서 크고 넓은 물 위에서 작습니다. 상층풍 자료가 없을 때 몇천 피트 바람을 가늠하는 용도입니다.

안정도 — 건조 3 °C, 습윤은 그보다 완만

안정도는 대기가 연직 운동을 얼마나 버티느냐입니다. 안정하면 작은 연직 교란이 잦아들고, 불안정하면 그 교란이 커져 난기류와 대류가 됩니다. 불안정은 연직으로 발달한 구름과 뇌우로 이어질 수 있습니다.

올라가는 공기는 기압이 떨어져 팽창하며 식고, 내려가는 공기는 압축되며 데워집니다. 이 온도 변화가 단열 가열·단열 냉각입니다. 공기 덩어리가 올라가면 압력은 줄고 부피는 늘고 온도는 내려갑니다.

고도가 오를 때 온도가 떨어지는 비율이 감률(lapse rate)입니다. 대기 평균은 1,000피트당 2 °C(3.5 °F)입니다. 건조단열감률(미포화)은 1,000피트당 3 °C(5.4 °F), 습윤단열감률은 1.1~2.8 °C(2~5 °F)입니다. 습한 공기는 더디게 식어, 주변과 같아지려면 더 높이 올라가야 하므로 건조 공기보다 불안정합니다.

차고 건조한 공기는 연직 운동을 버티고 대체로 맑습니다. 가장 큰 불안정은 습하고 따뜻한 공기, 여름 열대 지방에서 나옵니다. 그런 곳에서는 뇌우가 거의 매일 생깁니다.

역전 — 뚜껑이 시정과 오염을 가둔다

보통은 고도가 오르면 기온이 내려갑니다. 고도가 오르는데 기온이 오르면 온도 역전(temperature inversion)입니다. 역전층은 흔히 지면 가까운, 얇고 매끄러운 안정 공기입니다. 꼭대기 공기는 뚜껑처럼 날씨와 오염을 아래에 가둡니다. 상대습도가 높으면 구름, 안개, 연무, 연기가 역전층 안에 남아 시정이 나빠집니다.

지면 바탕 역전은 맑고 선선한 밤에, 식는 지면이 가까운 공기를 식힐 때 생깁니다. 지면 몇백 피트 안이 그 위보다 차가워집니다. 전선 역전은 따뜻한 공기가 찬 공기 위로 퍼지거나, 찬 공기가 따뜻한 공기 밑으로 들어갈 때 생깁니다.

수분·이슬점 — 운저는 (T−DP)÷4.4×1,000

대기의 수증기량은 기온에 달립니다. 온도가 20 °F 오르면 품을 수 있는 수분량은 두 배, 20 °F 내리면 절반입니다. 물은 액체·고체·기체로 바뀌며 열이 오갑니다. 증발, 승화, 응결, 증착, 융해, 동결입니다. 수증기가 대기에 더해지는 길은 증발과 승화뿐입니다.

증발은 액체 물이 수증기가 되며 가까운 열원에서 열을 빼앗습니다. 땀이 식는 느낌이 그 잠열입니다. 승화는 얼음이 액체를 건너뛰고 바로 수증기가 되는 것입니다. 드라이아이스(이산화탄소)가 고체에서 바로 증기로 가는 것과 같은 원리입니다.

상대습도는 그 온도에서 품을 수 있는 수분량 대비, 지금 가지고 있는 양입니다. 65%면 용량의 65%입니다. 미국 서부는 고습 날이 드물고, 남부 더운 달에는 75~90% 읽음이 흔합니다.

이슬점(dew point)은 공기가 더 이상 수분을 못 품는 온도입니다. 기온이 이슬점까지 내려가면 포화되어 안개, 이슬, 서리, 구름, 비, 눈이 응결하기 시작합니다. 해면에서 공기 1 m³가 품는 물은 10 °C에 9 g, 20 °C에 17 g, 30 °C에 30 g입니다. 20 °C에 17 g이면 포화(100%)이고 이슬점은 20 °C입니다. 같은 공기를 30 °C로 데우면 17/30이라 상대습도 56%, 10 °C로 식히면 용량 9 g을 넘어 8 g이 물방울이 되고 상대습도는 여전히 100%입니다.

습하고 불안정한 공기가 올라가면, 기온과 이슬점이 만나는 고도에 구름이 자주 생깁니다. 들어 올려진 미포화 공기는 1,000피트당 5.4 °F로 식고 이슬점은 1 °F로 내려가, 둘은 1,000피트당 4.4 °F로 수렴합니다.

운저(AGL) = (기온 − 이슬점) ÷ 4.4 × 1,000피트. 보고된 T·DP에 이 식만 넣으면 됩니다.

다음 편은 12장의 구름 유형과 전선입니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.