지구 공전의 비밀 지구상에는 모두 4계절이 있다?!

우리나라에는 봄, 여름, 가을, 겨울의 사계절이 있습니다. 계절에 따라 기온과 날씨가 달라지기 때문에 계절에 맞춰 우리의 생활 모습도 달라집니다. 그런데 세상의 모든 나라가 우리처럼 4계절이 있을까요? 그렇지는 않습니다. 계절의 변화가 우리나라와 정반대인 나라도 있고, 계절의 변화가 적은 나라도 있습니다.

그럼, 어떤 곳이 계절의 변화가 있을까요? 우리나라는 적도와 극의 중간쯤인 위도 33°~42° 정도에 걸쳐 있어 태양과 가까워졌다가 멀어졌다가 하기 때문에 4계절이 뚜렷하죠. 더울 때도 있고 추울 때도 있고, 선선한 봄과 가을도 있는 것입니다. 그러므로 우리나라와 위도가 비슷한 지역에 있는 나라들은 대부분 4계절을 가지고 있다고 생각하면 됩니다.

그렇다면 계절의 변화가 적은 곳은 어디일까요? 적도는 위도가 0°, 극지방은 위도가 90°입니다. 극 쪽에 가까워질수록 태양의 빛을 많이 받지 못해 날씨가 추우며, 적도 쪽에 가까울수록 태양 빛을 많이 받기 때문에 날씨가 덥습니다. 그 이유는 적도 지방은 공전 궤도가 변해도 태양의 고도가 항상 높고, 극지방은 반대로 항상 낮기 때문입니다. 그래서 적도 근처의 열대 지방의 나라들이나 극지방에 가까운 나라들은 계절의 변화가 적습니다.

이러한 계절의 변화는 왜 생길까요? 그 이유는 지구가 자전축과 23.5° 기운 채 태양의 주변을 돌기 때문입니다. 이러다 보니 공전 궤도상 위치에 따라서 태양이 뜨고 지는 고도, 즉 태양의 높이가 달라져서 겨울엔 낮이 짧고 밤이 길며 여름엔 낮이 길고 밤이 짧은 현상이 일어나는 것입니다. 낮이 길기 때문에 태양 빛과 태양 열을 더 많이 받게 되고, 밤이 길기 때문에 그 반대로 태양 빛과 태양 열을 적게 받게 되는 것입니다.

지구의 자전축이 23.5도 기운 모습

자전축이 기울어져 있기 때문에 남반구의 계절은 북반구의 계절과 서로 반대로 나타나게 됩니다. 자전축이 기울어진 채로 공전을 하니까 빛을 받는 양이 달라져서 계절도 달라지는 것이지요. 그래서 북반구의 성탄절은 눈이 오는 겨울이지만, 남반구에서의 성탄절은 뜨거운 여름이 되는 것입니다.

즉, 계절 변화는 지구의 자전축이 기울어져 태양 주위를 공전(한 전체가 다른 전체를 주기적으로 도는 것)하기 때문에 일어나는 현상입니다. 만약 지구의 자전축이 기울어져 있지 않거나 지구의 자전축이 기울어진 채 자전만 한다면 계절의 변화는 일어나지 않을 것입니다.

지구 공전에 따른 계절 변화 -> 6월의 지구의 모습 

지구 공전에 따른 계절 변화 -> 12월의 지구의 모습

이것은 자전축의 기울기와 공전으로 인하여 태양의 고도와 시간(낮의 길이)이 달라져 계절 변화가 나타나게 된다는 것을 의미합니다. 태양의 고도가 높다는 것은 햇빛이 비추는 시간도 길다는 것을 의미합니다. 우리나라와 같은 북반구 중위도 지역에서는 1년 중 하지 때 태양이 가장 높이 올라가 하짓날의 낮 시간은 서울의 경우 약 14시간 30분 정도가 됩니다. 하지만 동짓날의 낮 시간은 약 9시간 40분밖에 되지 않는데, 이는 동지 때는 태양의 고도가 1년 중 가장 낮기 때문입니다. 춘분과 추분에는 밤과 낮의 길이가 같습니다.

계절에 따른 태양의 고도변화

이번에는 태양의 남중고도(천체가 정남의 위치에 왔을 때의 고도)에 따른 계절별 기온에 대해 알아볼까요? 손전등으로 빛을 지면에 비스듬하게 비추면 직각으로 비출 때와 비교해 빛의 원모양은 커지지만 밝기는 감소하게 됩니다. 전등으로부터 나오는 빛의 양이 일정하기 때문에 단위 면적당 빛의 양은 원의 면적이 커지면 커질수록 감소하기 때문입니다.

같은 원리로 태양의 남중고도가 높은 여름에는 일정한 면적에 도달하는 태양 에너지의 양이 많아져 기온이 높아지지만 태양의 남중고도가 낮은 겨울에는 일정한 면적에 도달하는 태양 에너지의 양이 줄어 기온이 낮아지게 됩니다. 여름에 비해 겨울에는 태양의 높이가 낮아지기 때문에 햇빛이 대기를 비스듬하게 통과하게 됩니다. 햇빛이 비스듬하게 비추면 같은 양의 햇빛이 넓은 면적으로 퍼지기 때문에 수평의 같은 면적에 비추는 햇빛의 양이 줄어들어 추워지게 되는 것입니다.

 

빛의 각도와 단위 면적당의 비교