겨울이 추운 이유

 

겨울

1년을 4계절로 나눌 때 네 번째 계절입니다. 

가을과 봄 사이의 계절로, 24절기에서는 입동(立冬:11월 7일경)부터 입춘(立春:2월 4일경) 전까지를 말하나, 천문학적으로는 동지(冬至:12월 21일)부터 춘분(春分:3월 21일)까지를 가리킨다. 기상학에서는 12월~2월을 겨울이라 한다. 계절이 반대로 나타나는 남반구에서는 6~8월이 겨울이 된다.

겨울이 추운 이유

비록 시기는 다르지만 어느 지역에서나 나타나는 겨울철의 공통점은 춥고 낮의 길이가 짧아진다는 것이겠지요. 어린이 여러분들이 자세히 살펴보면, 여름에는 창문 가까이만 들어오던 햇살이 겨울에는 교실 안쪽까지 들어오는 것을 알 수 있을 거예요. 그럼, 겨울이 왜 여름보다 추운 건지 아셨나요? 

지구의 모든 에너지의 근원은 태양이지요. 

태양은 표면 온도가 약 6000 캜나 되고, 크기(반지름)도 지구보다 109배나 큰 거대한 난로이기 때문에 따뜻한 열기를 쉴새없이 지구로 보내 온답니다. 태양은 지구로부터 무려 1억 5000 km나 멀리 떨어져 있어서, 태양에서 보낸 빛이 지구까지 도달하는 데만도 무려 8 분 20 초나 걸리고, 지구 대기권 밖 1 ㎠ 면적 위에 1 분간 수직으로 떨어지는 햇빛의 에너지가2 칼로리 정도라고 합니다. 이것을 '태양상수'라고 부릅니다. 지구의 적도반지름이 약 6380 km라고 하니, 지구 전체가 1 분 동안 받는 태양 에너지의 총량이 얼마나 많은지는 어린이 여러분들이 직접 한 번 계산해 보세요.(태양상수를 지구 단면적과 곱하면 됩니다. 단위는 센티미터로 통일해야겠지요.) 

그런데 어린이 여러분들도 난로를 비스듬히 쬐는 것보다 수직으로 쬐는것이 더 따뜻하다는 것을 경험으로 알고 있을 것입니다. 태양 난로도 마찬가지예요. 지구는 공처럼 둥글기 때문에 태양 광선이 수직으로 비추는 지역이 있다면 그 옆으로 갈수록 태양 광선이 지표면과 더 작은 각도를 이루면서(이것을 태양고도가 낮다고 말합니다) 비스듬히 비추게 될 것입니다. 

지구가 똑바로 서서 태양 주위를 공전하고 있다면 한 지역의 태양 고도는일 년 내내 변하지 않을 것이고 계절 변화도 없을 것입니다. 하지만 지구의 회전축이 약 23.45 도 기울어진 채로 태양 주위를 공전하기 때문에, 겨울에는 태양 고도가 낮고 태양이 비추는 시간인 낮의 길이도 짧아져서 태양 에너지를 받는 양이 줄어들게 됩니다. 

그래서 겨울에는 추운 것이지요. 사과 두 개를 가지고 직접 실험해 보세요. 

그런데 요즘 들어 대구와 서울의 겨울철 월 평균 최저 기온이 예년보다3.0 ℃나 높아지는 등 우리 나라의 기후가 따뜻한 아열대 기후로 접어드는조짐을 보이고 있다고 합니다. 

이것은 지구의 기후 자체가 30 년을 주기로 추워졌다 더워졌다를 반복하는영향도 있지만, 특히 대기 오염과 난방열, 자동차 열 등이 합쳐져서 도시가 더워지는 도시 열섬(heat island) 현상 때문이라고 합니다. 

우리가 환경 오염으로 인해 생기는 이런 변화들에 민감하게 대처하지 않으면, 언젠가 추운 겨울조차도 그리워해야 할 시대가 올지도 모릅니다. /김해보(한국과학문화재단)

계절의 변화가 생기는 주된 요인은 지구의 자전과 공전, 그리고 지구의 자전과 공전으로 인해 발생하는 태양으로 부터 받는 열의 변화와 태양이 내리쬐는 시간의 변화이다. 

지구는 1시간에 약 1670km의 속도로 서쪽에서 동쪽으로 회전(자전)하면서, 태양을 둘러싼 대략 9억 6천만km에 달하는 타원 궤도를 1년동안 돌고 있다. 

공전 궤도면에 대하여 자전축(지축)이 90。가 아니라 약 66.5。정도 기울어져 있다. 

실은 이 지축의 경사가 사계절의 변화에 중요한 역할을 한다. 

지구상에서 보면 춘분과 추분에는 태양이 적도 바로 위를 돌지만, 하지에는 북위 23.5。의 위도권 위를, 동지에는 남위 23.5。위 위도권 위를 돈다. 

그래서 , 위도 37。25′정도에 위치한 서울에서는, 태양이 하지 정오에는 천장에서 13。55′ (똑바로 서서 머리의 꼭대기에서 잰 각도), 동지에는 60。55′정도에 위치에서 비추게 된다.

여름보다 겨울에는 태양의 높이가 낮아져 햇빛이 대기를 비스듬하게 통과한다.

이는 겨울에 실내의 깊숙한 곳까지 햇살이 비춰지지만 여름에는 빛이 실내에 별로 들어오지 않는 것을 보면 알 수 있다. 

햇빛이 비스듬하게 비출 때는 같은 양의 햇빛이 넓은 면적으로 퍼지기 때문에 수평의 같은 면적에 비추는 햇빛의 양이 줄어 추워지는 것이다.

예를 들면, 손전등으로 빛을 지면에 비스듬하게 비추면 직각으로 비출 때보다 빛의 원모양은 커지지만 밝기는 감소한다. 

즉, 전등으로부터 나오는 빛의 양은 일정 하므로 단위 면적당 빛의 양은 원의 면적이 작을 때보다 빛이 비추는 원의 면적이 커질 때에 감소하는 것이 당연한 이치이다.

두 번째 원인은, 겨울에는 태양의 높이가 낮아서 햇빛이 대기를 비스듬하게 통과하므로 공기층을 길게 통과해야 지표면까지 도달할 수 있다. 

하지와 동지 때의 햇빛이 대기 중을 통과하는 길이를 비교하면 동지가 약1.9배나 길다. 

따라서, 겨울에는 태양으로부터 오는 열량이 공기 중에 많이 흡수되어 지면에 도달하는 열량이 감소하므로 겨울에는 온도가 별로 올라가지 않는다. 

스톡홀름에서는 1월경에 태양으로부터 받는 열량이 7월의 10% 이하인데 세종기지에서는 1월이 한여름에 해당하므로 태양의 열량을 가장 많이 받는 계절이 된다.

세 번째 원인은 태양이 내리쬐는 시간의 길고 짧음이다. 

태양이 내리쬐는 시간은 여름에는 길고 겨울에는 짧다. 

이러한 길이의 장단이 반복되어 계절의 변화가 일어난다.

태양의 고도가 별로 변하지 않는 적도 지방은 1년 내내 따뜻하고 항상 여름이다. 

북극이나 남극 지방에서는 태양이 반 년 정도는 지평선 아래에 있고, 나머지 반 년 정도는 지평선 위에 떠 있어서 여름과 겨울은 있지만 봄과 가을은 거의 없다.