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해수가 거의 일정한 속력과 방향으로 대규모로 흐르는 것을 해류라고 한다. 해류는 발생 원인에 따라 크게 바람에 의해 생기는 표층 해류와 해수의 수온과 염분 등이 다르기 때문에 밀도의 차이로 생기는 심층 해류로 구분할 수 있다.

바람과 위도에 따른 전향력의 영향으로 지구 전체적으로 표층 해류의 순환이 일어나며, 심층 해류도 해수의 밀도 차에 의해 연직 방향의 순환이 일어난다.

바람은 깊은 바다에까지 영향을 미치지 않으므로 해양학자들은 한때 바다의 심층부는 해수의 흐름이 거의 없다고 생각했다. 하지만 이후 관측 장비가 발달함에 따라 깊은 바다에 대한 연구가 진행되면서 표층 해류처럼 심층에도 심층 해류가 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 하지만 표층 해류가 바람으로 만들어지는 것과 달리 심층 해류는 해수의 밀도 차로 형성된다. 그런데 해수의 밀도는 수온과 염분으로 결정되기 때문에 심층 순환을 열 ・ 염분 순환이라고도 한다.

적도의 따뜻한 표층 해류가 극으로 이동하면 점차 냉각되는데, 이로 인해 밀도가 커진다. 또한 해수 밀도는 염분이 증가할수록 커지는데, 극지방의 경우 해수가 얼면서 주변 해수에 염분이 높아지면 표층 해수의 밀도는 더욱 증가한다. 대서양의 경우 북극과 남극 주변부의 표층에서 이렇게 밀도가 큰 해수가 형성되고 이것이 심해로 가라앉아 해저를 따라 수평으로 흘러서 심층 해류를 만든다.

전 세계 해양에서 고밀도의 해수가 만들어져 침강하는 해역은 남극 대륙 주변의 웨들 해와 북대서양의 그린란드 해 주변으로, 이곳에서 침강한 해수가 전 세계 해양으로 퍼져나가 심층수를 형성한다.

겨울철에 남극 대륙 주변 해수의 온도가 낮아져서 결빙하면 주변 해수의 염분은 높아지고, 밀도가 커진 표층 해수는 해저까지 가라앉아 남극 저층수를 이룬다. 남극 저층수는 밀도가 가장 높은 심해수로 남극 대륙 주위의 해저를 따라 돌며 전 세계 해양에 심해수를 공급한다.

한편 북대서양의 그린란드 해역에서는 심하게 냉각된 표층 해수가 가라앉아 형성된 북대서양 심해수가 대양의 서쪽을 따라 강하게 집중되어 남대서양까지 흘러간다. 위 그림은 대서양에서 심층 순환의 단면을 나타낸 것으로, 남반구의 웨들 해에서 만들어진 남극 저층수가 해저를 따라 적도 쪽으로 흐르면서 저층류를 형성한다. 그린란드 해역에서 만들어진 북대서양 심층수는 남극 저층수보다 밀도가 낮아 수심 1,500~4,000m에서 남위 60°까지 확장되는 심층류를 형성한다.

심층 해류의 순환 속도는 표층 해류 순환에 비해 매우 느려 그린란드 해에서 침강한 물이 다시 표면으로 돌아오는 데에는 1,000년 정도나 걸린다고 알려져 있다.

심층 순환은 표층 순환과 더불어 저위도와 고위도 간의 열에너지 수송을 담당하면서 전 지구적 에너지 평형을 유지하는 데 큰 역할을 하고 있다. 하지만 최근에 지구온난화로 인해 극지방의 빙하가 녹아 담수가 유입됨에 따라 북극해 주변 해수의 밀도가 계속 낮아지고 이로 인해 심층수의 침강이 약화되어 결국 심층 순환이 약화되고 있다. 학자들은 이러한 변화가 계속되면 지구 기후에 엄청난 재앙이 초래될 것으로 예상하고 있다.

나치 독일군의 유보트와 지중해 밀도류

지중해는 강수량보다 증발량이 많아서 표층수의 염분 농도가 중층수나 저층수보다 높다. 따라서 밀도가 높은 표층수가 침강하여 밀도류를 형성한다. 한편 지중해의 해수면은 대서양보다 약간 낮아서 밀도가 낮은 대서양의 해수가 지브롤터 해협을 통해 표층류를 형성하면서 지중해로 유입되고, 지중해의 해수는 밀도가 높으므로 저층류를 형성하면서 대서양으로 빠져 나간다.

제2차 세계대전 중에 연합군은 군수품을 수에즈 운하로 수송했다. 영국 해군은 지중해에서의 안전한 수송을 위해 지브롤터 해협을 봉쇄했으나 독일군 잠수함의 활동을 막지 못해 지중해에서 상당한 수송선이 격침당했다.

독일군 잠수함은 대서양에서 지중해로 들어갈 때 지브롤터 해협 근처에서 수 m 정도의 옅은 수심으로, 잠수한 후 엔진을 끄고 가만히 있으면 대서양 해류를 따라 자연히 지중해로 들어가게 된다. 지중해에서 연합군의 수송선단을 공격하고 대서양으로 나갈 때에는 수중 수십 m의 깊이로 잠수한 후 들어올 때처럼 엔진을 끄고 가만히 있으면 지중해의 밀도류를 따라 자연히 대서양으로 빠져나가게 된다.

이처럼 독일군은 해양에서 밀도류를 최대한 활용했다. 연합군은 전쟁이 끝난 후에야 이러한 사실을 알았다. 세계대전 당시 연합군에서는 어떻게 유보트가 연합군의 감시를 피해 지중해에 출몰했는지 그 원인을 잘 몰랐으며, 전쟁이 끝난 후에야 유보트가 밀도 차에 의한 해류를 이용해서 소냐(음파탐지기)에도 나타나지 않은 사실을 알았다.