계절이 바뀌는 이유
계절은 왜 있을까? 봄, 여름, 가을, 겨울은 왜 번갈아 찾아올까? 많은 사람이 여름과 겨울이 바뀌는 까닭은 1년 동안 지구와 태양 사이의 거리가 달라지기 때문이라고 믿는다. 실제로 지구는 완벽한 원을 그리며 태양 둘레를 돌지 않는다. 지구가 태양에서 더 멀어질 때도 있고 더 가까워질 때도 있다. 다음 그림을 보자.
지구가 “위쪽”에 있을 때는 “아래쪽”에 있을 때보다 태양에서 더 멀다. 언뜻 보면 지구가 태양에서 멀 때 겨울이고 가까울 때 여름이라는 것이 이치에 맞아 보인다. 그런데 지구가 태양에서 가장 먼 때는 7월 5일 무렵이고, 가장 가까운 때는 1월 4일 무렵이다. 즉 실제로는 정반대이다. 지구가 태양에서 가장 멀 때 여름이고, 가장 가까울 때 겨울이다.
또 북반구가 여름이면 남반구는 겨울이고, 그 반대도 마찬가지라는 것도 알고 있다. 한국이 꽁꽁 얼어붙을 때 오스트레일리아는 여름이다. 따라서 계절은 지구와 태양 사이의 거리가 달라져서 생기는 것일 수 없다. 만약 그렇다면 한쪽 반구만이 아니라 지구 전체가 여름이어야 한다.
게다가 그림에서는 지구와 태양 사이의 거리가 크게 달라지는 것처럼 보이지만, 실제로는 차이가 훨씬 작다. 지구가 태양에 가장 가까울 때 거리는 약 1억 4,700만 km이다. 가장 멀 때는 약 1억 5,200만 km이다. 차이는 약 3퍼센트로, 여름과 겨울 사이에 보이는 것만큼 큰 날씨 변화를 일으키기에는 충분하지 않다.
모든 것은 지구의 자전축 때문이다
지구의 자전축은 지구가 그 둘레로 도는 가상의 직선이다. 이 자전축은 지구가 태양 둘레를 도는 가상의 평면에 대해 조금 기울어져 있다. 다음 그림을 보자.
자전축은 위아래의 흰 선으로, 지구를 가로지르는 검은 선은 적도로 나타냈다. 적도는 지구를 남반구와 북반구의 두 반구로 나눈다. 아래쪽 화살표는 지구가 자전축을 중심으로 도는 방향을 나타낸다. 자전축이 수직이 아니라 조금 기울어져 있다는 것을 알 수 있다. 이 그림만 보아도 햇빛이 북반구보다 남반구를 훨씬 많이 비춘다는 것을 알 수 있다. 다른 것도 알 수 있다. 햇빛은 남극을 비추지만 북극은 비추지 않는다. 그리고 이 상태는 한동안 이어진다. 하루가 지나 지구가 자전축을 중심으로 한 바퀴 돌았다고 하자. 지구가 기울어져 있으므로 햇빛은 하루 내내 남극을 비추었고, 그곳에서는 해가 전혀 지지 않았다! 반대로 북극에서는 하루 내내 해가 뜨지 않았다! 또 하루 내내 햇빛은 북반구보다 남반구의 훨씬 넓은 부분을 비추었다. 따라서 남반구는 여름이고 북반구는 겨울이다. 이는 겨울에는 낮이 여름보다 짧다는, 이미 알고 있는 사실과도 맞아떨어진다.
하지만 이것으로는 겨울의 해가 여름의 해보다 왜 “차가운지” 아직 설명되지 않는다. 좋다, 겨울에는 해가 비치는 시간이 짧고 그 까닭도 이제 안다. 그런데 왜 겨울 햇볕은 여름처럼 따뜻하지도 않을까? 이것은 햇빛이 비치는 각 때문이다.
햇빛이 비치는 각도
빛이 수직으로 비치는 벽이 있다고 하자. 그리고 길이가 같고 빛이 비치지만 수직으로 비치지는 않는 둘째 벽이 있다. 둘째 벽은 첫째 벽에 비해 45도 돌아가 있다.
두 벽의 길이가 같고 똑같이 강한 광원이 비추고 있는데도 둘째 벽에는 첫째 벽보다 빛줄기가 적게 닿는다. 그뿐만 아니라 빛줄기가 서로 더 멀리 떨어져 닿는다. 따라서 둘째 벽은 첫째 벽만큼 밝게 비치지 않는다. 햇빛도 마찬가지이다. 햇빛이 땅에 어떤 각도로 비치는지가 중요하다. 수직으로 비치면 땅에 햇빛이 많이 닿고, 따뜻하게 느껴진다. 더 작은 각도로 비치면 땅에 닿는 햇빛이 적고 “서로 더 멀리 떨어져” 닿으므로 춥게 느껴진다. 지구에서도 같은 일이 일어난다.
땅에 수직으로 닿는 햇빛은 모두 남반구에 닿는다. 따라서 남반구에는 1제곱미터마다 더 많은 햇빛이 닿아서 북반구보다 따뜻하다. 북반구에도 햇빛이 닿기는 하지만 더 작은 각도로 비치므로 닿는 햇빛이 적다. 그래서 한국보다 북쪽은 대체로 더 춥고, 남쪽은 대체로 더 따뜻하다. 한국보다 북쪽에서는 햇빛이 더 작은 각도로 비치므로 한국보다 닿는 햇빛이 적다.