계절이 생기는 이유 — 거리가 아니라 기울기

여름은 왜 더울까요. "태양이 가까워서"라고 답하는 사람이 많습니다. 그런데 지구가 태양과 가장 가까운 때는 1월 초입니다. 북반구가 한겨울일 때입니다. 거리가 이유라면 1월이 가장 더워야 합니다. 게다가 우리가 여름일 때 호주는 겨울입니다. 같은 지구가 같은 거리에 있는데 반구마다 계절이 반대라면, 원인은 거리가 아닙니다. 답은 기울어진 자전축입니다.

자전축은 늘 같은 쪽으로 기울어 있다

지구의 자전축은 공전 궤도면에 수직인 방향에서 23.5° 기울어 있고, 1년 내내 같은 쪽을 가리킵니다. 그래서 공전하는 동안 어떤 때는 북반구가 태양 쪽으로 기울고, 반년 뒤에는 남반구가 태양 쪽으로 기웁니다.

북반구가 태양 쪽으로 기운 때가 하지(6월), 반대쪽으로 기운 때가 동지(12월)입니다. 그 사이 어느 쪽으로도 기울지 않은 때가 춘분과 추분입니다. 남반구는 정확히 반대라서 12월이 한여름입니다.

자전축이 기울지 않았다면 어디서나 1년 내내 태양 고도와 낮의 길이가 같아 계절이 없었을 것입니다. 반대로 기울기가 더 컸다면 여름과 겨울의 차이가 지금보다 훨씬 심했을 것입니다. 23.5° 는 계절을 만들되 견딜 만하게 만드는 값입니다.

기울면 무엇이 달라지나 — 고도와 낮의 길이

북반구가 태양 쪽으로 기울면 두 가지가 한꺼번에 달라집니다.

첫째, 태양의 고도가 높아집니다. 같은 폭의 빛 다발이 지면에 비칠 때, 고도가 높으면 좁은 면적에 모이고 고도가 낮으면 넓은 면적에 퍼집니다. 손전등을 바닥에 똑바로 비출 때와 비스듬히 비출 때를 떠올리면 됩니다. 좁은 면적에 모인 여름의 빛이 땅을 더 세게 데웁니다.

둘째, 낮이 길어집니다. 하지 무렵 서울의 낮은 열네 시간을 넘고, 동지 무렵은 열 시간이 채 안 됩니다. 데우는 시간이 길고 식히는 밤이 짧으니 더 더워집니다. 춘분과 추분에는 어디서나 낮과 밤의 길이가 같습니다. 고도와 낮의 길이, 이 둘이 함께 계절을 만듭니다.

남중 고도 계산

태양이 정남쪽에 왔을 때의 고도를 남중 고도라고 합니다. 위도 $\varphi$ 인 곳의 남중 고도 $h$ 는 자전축의 기울기만큼 계절에 따라 오르내립니다.

서울의 위도는 37.5° 이니 하지의 남중 고도는 76°, 춘분과 추분은 52.5°, 동지는 29° 입니다. 하지에는 태양이 머리 위에 가깝고, 동지에는 남쪽 하늘에 낮게 걸립니다. 이것이 겨울에 햇빛이 방 깊숙이 들어오는 이유입니다. 하지의 남중 고도는 위도가 23.5° 인 곳에서 90° 가 되는데, 이 위도선이 북회귀선입니다. 그보다 북쪽에서는 태양이 머리 바로 위까지 오르는 날이 하루도 없습니다.

한 가지 더. 가장 더운 달은 하지가 있는 6월이 아니라 8월입니다. 땅과 바다가 데워지는 데 시간이 걸려서, 태양이 가장 높은 때보다 한두 달 뒤에 기온이 가장 높습니다. 가장 추운 때가 동지가 아니라 1월인 것도 같은 이유입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 공전 궤도 그림에서 네 위치의 계절 고르기. 북반구가 태양 쪽으로 기운 곳이 하지.
• 남중 고도 계산. 하지는 위도를 90° 에서 빼고 23.5° 를 더함, 동지는 뺌.
• 태양 고도가 높을수록 같은 빛이 좁은 면적에 모여 단위 면적이 받는 에너지가 큼.
• 낮의 길이. 하지에 가장 길고 동지에 가장 짧으며, 춘분과 추분에는 낮과 밤이 같음.
• 자전축이 기울지 않았다면 계절이 없음. 기울기가 커지면 계절 차이가 커짐.

자주 헷갈리는 것

• "여름에는 태양이 가깝다" — 북반구 여름에 지구는 오히려 태양에서 멉니다. 거리 차이는 계절을 만들 만큼 크지 않고, 남반구와 북반구의 계절이 반대라는 사실로도 설명이 안 됩니다.
• "적도는 태양이 늘 머리 위에 있다" — 적도에서도 태양이 머리 바로 위를 지나는 날은 1년에 춘분과 추분 이틀뿐입니다. 다만 고도가 늘 높아 계절 차이가 작습니다.
• "하지가 가장 덥다" — 태양은 하지에 가장 높지만 기온은 한두 달 뒤에 가장 높습니다.

정리합니다. 계절은 태양과의 거리가 아니라 23.5° 기울어진 자전축 때문에 생깁니다. 태양 쪽으로 기운 반구는 태양 고도가 높아 빛이 좁은 면적에 모이고 낮이 길어 여름이 되며, 반대쪽 반구는 같은 때에 겨울입니다.