지구의 계절은 왜 생기는가

태양과의 거리 때문이 아닙니다. 지구가 태양에 가장 가까워지는 때는 1월 초로, 북반구가 한겨울일 때입니다. 계절을 만드는 것은 거리가 아니라 자전축이 공전면에 대해 23.4° 기울어져 있다는 사실입니다.

기울어진 축은 공전하는 내내 우주에서 같은 방향을 가리킵니다. 그래서 반년은 북반구가 태양 쪽으로, 나머지 반년은 남반구가 태양 쪽으로 기울고, 햇빛이 들어오는 각도와 낮의 길이가 함께 변합니다. 위 시뮬레이션은 그 과정을 1년 타임라인으로 감아 보여줍니다 — 태양의 남중고도, 낮과 밤의 경계, 극지방의 백야와 극야가 한 번에 움직입니다.

이 화면에서 확인할 것

아래 타임라인을 좌우로 끌면 1년이 흐릅니다. 재생 버튼으로 자동으로 돌릴 수도 있습니다. 그동안 눈여겨볼 것은 네 가지입니다.

• 자전축의 방향은 끝까지 바뀌지 않습니다. 지구가 태양 주위를 한 바퀴 도는 동안 축은 계속 같은 쪽을 가리킵니다. 태양 쪽으로 기울었다가 반대쪽으로 기우는 것처럼 보이는 건 지구가 반대편으로 이동했기 때문이지, 축이 돌아누운 것이 아닙니다. 계절의 원인 전체가 이 한 장면에 들어 있습니다.
• 낮과 밤의 경계선이 극지방을 어떻게 자르는지 보세요. 이 선이 극점을 지나 넘어가면 그 지역은 하루 종일 해가 지지 않거나(백야) 하루 종일 뜨지 않습니다(극야). 위도 66.5° — 극권이 왜 하필 거기인지가 눈으로 설명됩니다.
• 같은 날의 서울과 아르헨티나를 비교해 보세요. 두 지점 마커가 찍혀 있습니다 (서울 37.5°N, 아르헨티나 34.6°S). 위도의 절댓값이 비슷한데 남북이 반대라, 한쪽이 여름이면 다른 쪽은 겨울입니다. 적도 마커는 1년 내내 거의 변하지 않습니다.
• 색상 모드를 바꿔 보세요. 온도 색상은 태양의 남중고도를 색으로 보여주고, 반구 색상은 남북을 구분해 줍니다. 시점도 정면·태양 시점·축 고정 중에 고를 수 있는데, 태양 시점으로 두면 "지금 태양이 지구의 어디를 정면으로 보고 있는가"가 바로 보입니다.

위도마다 계절이 다른 이유

같은 날, 같은 시각인데 사는 곳에 따라 태양의 높이가 다릅니다. 그 차이가 계절의 성격 자체를 바꿉니다. 타임라인을 한 바퀴 돌리면서 세 지역을 번갈아 보면 무엇이 다른지 분명해집니다.

• 적도 — 1년 내내 태양이 거의 머리 위를 지납니다. 남중고도가 크게 변하지 않으니 사시사철 덥고, 낮의 길이도 12시간 근처에서 거의 움직이지 않습니다.
• 중위도 — 계절이 가장 뚜렷한 구간입니다. 태양 고도와 낮의 길이가 둘 다 크게 변해서 두 효과가 같은 방향으로 겹칩니다. 우리가 아는 사계절이 이 위도대의 이야기입니다.
• 극지방 — 가장 극단적입니다. 여름에는 해가 지지 않고 겨울에는 뜨지 않습니다. 다만 백야라고 해서 더운 것은 아닙니다. 태양이 하루 종일 떠 있어도 고도가 낮아 빛이 넓은 면적에 흩어지기 때문입니다.

여기서 계절을 만드는 두 가지 힘이 갈라집니다. 입사각은 같은 양의 빛이 얼마나 좁은 면적에 모이는지를 정하고, 낮의 길이는 얼마나 오래 데우는지를 정합니다. 극지방은 두 번째만 극단으로 커지고 첫 번째가 무너져서, 백야에도 기온이 크게 오르지 않습니다.

자주 갈리는 세 가지

• "여름엔 태양이 더 가깝다" — 아닙니다. 오히려 북반구 여름에 지구는 태양에서 가장 멉니다(7월 초). 거리 차이는 약 3%뿐이고, 기울기가 만드는 차이가 그보다 훨씬 큽니다.
• "하지가 가장 덥다" — 하지는 받는 에너지가 가장 많은 날이지, 가장 더운 날이 아닙니다. 땅과 바다가 데워지는 데 시간이 걸려서 더위의 정점은 한두 달 뒤에 옵니다.
• "적도는 계절이 없다" — 태양 고도로 보는 계절은 거의 없는 게 맞지만, 비가 오는 시기와 안 오는 시기(우기·건기)로 갈립니다. 이 시뮬레이션은 고도만 다루므로 적도가 밋밋하게 보입니다.

기울기가 0°나 90°라면 어떻게 되는지, 남중고도를 손으로 계산하는 법, 자전축이 아주 긴 시간에 걸쳐 실제로 움직인다는 이야기까지는 해설 문서에서 다룹니다.