계절은 왜 생기는가 — 자전축 23.4°가 만드는 1년

계절은 태양과 가까워지고 멀어져서 생기는 것이 아니다. 지구의 자전축이 23.4° 기울어진 채 우주 공간에서 방향을 유지하며 공전하기 때문에, 같은 장소에 도달하는 햇빛의 각도와 낮의 길이가 1년을 주기로 함께 변한다. 이 글은 그 구조를 위도별로 나누어 정리한다.

1. 거리 때문이 아니라는 증거

"여름엔 태양에 가깝고 겨울엔 멀어서"라는 설명은 직관적이지만 사실과 맞지 않는다. 가장 단순한 반증은 날짜다. 지구가 태양에 가장 가까워지는 근일점은 1월 초, 가장 멀어지는 원일점은 7월 초다. 북반구가 한겨울일 때 지구는 태양에 가장 가까이 있다.

거리 차이 자체도 크지 않다. 근일점 약 1억 4,710만 km, 원일점 약 1억 5,210만 km로 차이는 3%를 조금 넘는다. 받는 복사에너지로 환산해도 7% 남짓이다. 서울의 1월과 7월 평균기온 차이가 25°C를 넘는 것을 이 정도 차이로는 설명할 수 없다.

결정적인 반증은 남반구다. 거리가 원인이라면 지구 전체가 동시에 여름이거나 동시에 겨울이어야 한다. 그러나 서울이 겨울일 때 부에노스아이레스는 한여름이다. 같은 거리, 같은 시각인데 계절이 정반대라면 원인은 거리가 아니라 반구마다 다른 무언가여야 한다.

2. 기울어진 축은 왜 방향을 바꾸지 않는가

지구의 자전축은 공전 궤도면(황도면)에 대해 23.4° 기울어져 있다. 여기서 핵심은 기울어져 있다는 사실보다 그 기울어진 방향이 우주 공간에서 거의 고정돼 있다는 점이다. 북극이 가리키는 방향은 1년 내내 북극성 근처를 향한 채 변하지 않는다. 팽이가 돌 때 축의 방향이 유지되는 것과 같은 각운동량 보존의 결과다.

축의 방향이 고정된 채로 지구가 태양 주위를 한 바퀴 돌면, 궤도의 어느 지점에 있느냐에 따라 축이 태양 쪽으로 기운 반구와 태양 반대쪽으로 기운 반구가 갈린다. 6월에는 북반구가 태양 쪽으로 기울고, 반년 뒤 반대편 궤도에 도착하면 같은 방향을 향한 축이 이번에는 태양에서 멀어지는 쪽이 된다. 축은 그대로인데 태양과의 관계만 뒤집히는 것이다.

3. 계절을 만드는 두 가지 힘: 각도와 시간

태양 쪽으로 기운 반구가 더워지는 이유는 하나가 아니라 둘이며, 둘 다 같은 방향으로 작용한다.

(1) 입사각 — 같은 빛이 얼마나 좁은 면적에 모이는가

햇빛이 지표에 수직에 가깝게 꽂히면 같은 양의 빛이 좁은 면적에 집중된다. 비스듬히 들어오면 같은 빛다발이 넓은 면적에 퍼져 단위면적당 에너지가 줄어든다. 손전등을 벽에 수직으로 비출 때와 비스듬히 비출 때의 밝기 차이와 같다. 단위면적당 받는 에너지는 태양 고도각의 사인에 비례한다.

(2) 낮의 길이 — 얼마나 오래 데우는가

태양 쪽으로 기운 반구는 자전하는 동안 밝은 쪽에 머무는 시간이 더 길다. 서울의 하지 무렵 낮은 약 14시간 40분, 동지 무렵은 약 9시간 30분이다. 더 강한 빛을 더 오래 받으니 차이가 곱해진다.

반대쪽 반구에서는 두 조건이 동시에 나빠진다. 빛은 비스듬히 들어오고 낮은 짧다. 계절의 온도 차가 그토록 큰 것은 두 효과가 겹치기 때문이다.

4. 남중고도를 직접 계산해 보기

하루 중 태양이 가장 높이 뜬 순간의 고도를 남중고도라 한다. 태양이 정확히 머리 위에 오는 위도를 태양적위(δ)라 하는데, 이 값은 +23.4°(하지)에서 −23.4°(동지) 사이를 1년 주기로 오간다. 남중고도는 다음 한 줄로 정해진다.

서울(북위 37.5°)에 넣어 보면 계절 차가 왜 이렇게 큰지 숫자로 드러난다.

서울은 29.1°와 75.9° 사이를 오간다. 같은 도시인데 겨울 정오의 태양이 여름 정오보다 47° 가까이 낮은 곳에 있다. 그리고 같은 시기 부에노스아이레스의 숫자는 정확히 반대로 움직인다.

5. 위도마다 계절이 다른 이유

적도 — 사시사철 덥다

적도에서는 태양적위가 어떻게 변하든 남중고도가 66.6° 아래로 내려가지 않는다. 태양이 늘 거의 머리 위를 지나고 낮 길이도 1년 내내 12시간 근처다. 그래서 적도 부근에는 여름·겨울 대신 건기와 우기가 계절의 역할을 한다.

중위도 — 계절이 가장 뚜렷하다

한국이 속한 중위도는 남중고도와 낮 길이가 모두 크게 변한다. 네 계절이 뚜렷하게 갈리는 위도대다.

극지방 — 계절 차가 가장 극단적이다

고위도로 갈수록 여름에는 태양이 지평선 아래로 내려가지 않고, 겨울에는 아예 떠오르지 않는 날이 생긴다. 온도 차만이 아니라 낮과 밤이라는 하루의 구조 자체가 계절에 따라 사라진다.

6. 백야와 극야, 그리고 극권

지구본 위의 특별한 위도선 두 쌍은 모두 23.4°라는 숫자에서 나온다.

• 회귀선 (±23.4°) — 태양이 머리 바로 위(고도 90°)에 올 수 있는 한계 위도. 북회귀선은 하지에, 남회귀선은 동지에 태양을 정수리에 받는다. 이 사이 지역에서는 1년에 두 번 태양이 천정을 지난다.
• 극권 (±66.6°) — 90° − 23.4°로 정해지는 위도. 이 선보다 극에 가까운 곳에서는 여름에 백야(태양이 지지 않는 날)와 겨울에 극야(태양이 뜨지 않는 날)가 나타난다.

극권 바로 위에서는 백야와 극야가 1년에 하루씩만 생기고, 극점에 가까워질수록 그 기간이 길어진다. 북극점에서는 극단적으로 반년 낮, 반년 밤이 된다. 두 극지방의 상태는 언제나 서로 반대다 — 북극이 극야일 때 남극은 백야다.

7. 하지가 가장 덥지 않은 이유

태양 에너지가 가장 많이 들어오는 날은 하지(6월 하순)지만, 가장 더운 시기는 보통 7월 말에서 8월이다. 동지와 한파의 관계도 마찬가지로 어긋난다. 이 시차를 계절 지연이라 한다.

원인은 열용량이다. 바다와 지면은 데워지는 데 시간이 걸린다. 들어오는 에너지가 정점을 지나도, 나가는 에너지보다 여전히 많은 동안에는 축적된 열이 계속 쌓인다. 기온이 꺾이는 시점은 들어오는 양이 최대일 때가 아니라 들어오는 양과 나가는 양이 같아지는 때다.

바다가 넓은 해양성 기후일수록 지연이 길고, 대륙 내륙일수록 짧다. 같은 위도라도 기온 곡선의 모양이 다른 이유 중 하나다.

8. 시뮬레이션에서 확인하는 법

지금까지의 내용은 지구의 계절 3D 시뮬레이션에서 직접 움직여 볼 수 있다. 1년 타임라인을 끌면 아래 요소들이 동시에 반응한다.

• 공전 전체 뷰 — 자전축(흰 화살표)이 궤도를 도는 내내 같은 방향을 향하는지 확인한다. 2번 항목이 눈으로 보이는 지점이다.
• 지구 정면 뷰 — 태양을 화면 옆에 고정한 채, 기운 반구가 여름에 태양 쪽을 향하고 겨울에 반대로 돌아서는 모습을 본다. 낮과 밤의 경계선(터미네이터)이 극지방을 어떻게 지나는지 함께 보면 백야·극야가 이해된다.
• 태양 시점 뷰 — 태양에서 지구를 내려다보는 각도. 여름 반구가 태양을 정면으로 마주하고 있음이 드러난다.
• 남중점 마커 — 태양이 머리 위에 오는 지점이 북회귀선과 남회귀선 사이를 1년에 걸쳐 왕복한다. 5번의 회귀선 정의가 그대로 움직인다.
• 정보 패널의 남중고도 — 서울·적도·부에노스아이레스 세 지점의 값을 비교하면 4번 표의 숫자가 실시간으로 재현된다.

9. 자주 묻는 질문

지구 자전축은 영원히 그 방향인가?

아니다. 자전축은 약 26,000년 주기로 천천히 원을 그린다(세차운동). 기울기 각도 자체도 22.1°~24.5° 사이에서 약 4만 1천 년 주기로 변한다. 다만 사람의 한평생이나 1년 단위에서는 고정된 것으로 봐도 무방하다.

기울기가 0°라면 어떻게 되나?

계절이 사라진다. 모든 지역에서 낮과 밤이 늘 12시간이고 남중고도도 1년 내내 일정해진다. 위도에 따른 더위와 추위의 차이는 남지만, 시간에 따른 변화는 없어진다.

기울기가 지금보다 훨씬 크다면?

계절 차가 극단적으로 커진다. 회귀선이 극 쪽으로, 극권이 적도 쪽으로 밀려나면서 백야와 극야를 겪는 지역이 크게 넓어진다. 기울기가 90°에 가까운 천왕성은 사실상 극이 태양을 정면으로 마주 보며 도는 상태다.

남반구의 계절은 왜 정확히 반대인가?

한쪽 반구가 태양 쪽으로 기울면 반대 반구는 필연적으로 반대쪽으로 기울기 때문이다. 하나의 기울기가 두 반구에 정반대 부호로 작용한다. 그래서 두 반구의 계절은 정의상 반대일 수밖에 없다.