글로벌 세계 대백과사전/컴퓨터·환경·첨단·지구과학/우주-지구-기상/우주의 신비/태양의 연주운동

천구의 일주운동과 더불어 천구상에 있는 태양도 함께 돌기 때문에 밤낮이 생긴다. 그리고 태양은 천구에 대해서도 운동을 하고 있으며, 그 때문에 계절이 생긴다.

태양의 일주운동의 변동

태양 적위의 변화

太陽赤緯－變化

태양의 일주운동을 알아보기 위해서 한 투명 반구 실험을 한 달 간격으로 계속 해보면 태양이 하루 동안 그리는 곡선이 점차 빗나가 일년이 지나면 다시 원래 상태로 돌아온다는 것을 알 수 있다. 각 곡선은 평행하며, 일출과 일몰의 방위, 남중 고도가 날짜의 경과와 함께 연속해서 변해간다.

각 곡선 하나하나는 천구의 일주 운동에 의해 생긴 것으로 일주호(日周弧)라고 하며, 이것은 북극을 중심으로 한 원호이다. 호의 반지름, 즉 북극에서 천체까지의 거리는 90°에서 그 천체의 적위를 뺀 값이다.

따라서 태양의 일주호가 변하는 것은 태양의 적위가 변하고 있음을 나타낸다. 상세히 관측한 결과는 1년간 태양의 적위가 최대치+23°27′에서 최소치 -23°27′사이에서 변하고 있다는 것을 알 수 있다. 태양이 이 최대치와 최소치를 갖는 날을 각각 하지(夏至), 동지(冬至)라고 한다.

위도에 의한 일주호의 차이

危道－日周弧－差異우리나라보다 위도가 높은 지점에서 천구를 보면 북극의 고도는 위도와 같으므로 그 지점의 북극은 우리나라보다 고도가 크다. 따라서 태양 일주호의 지평선에 대한 기울기는 작다.

일반적으로 천체의 적위가 δ일 때 위도 φ지점에서 보았을 때의 상경과 고도(남중 고도)는 90°-φ+δ, 하경과 고도(북중 고도)는 φ+δ-90°로 나타낼 수 있다.

따라서 하지 때 북위 66°33′지점에서는 태양 고도가 가장 작아질 때(즉 한밤중 하경과 때)가 고도 0°이다. 다시 말해서 이날 하루는 태양이 지평선 밑으로 지지 않는다. 태양 적위가 일년 간 ±23°27′변동하므로 지구는 다음의 세 가지 지대로 분류된다.

한대

寒帶

북위 66°33′이북 지역을 한대 또는 북극권이라 하며, 이곳에서는 하지를 중심으로 전후 며칠은 태양이 지평선 밑으로 지지 않는 기간이 있다. 이 기간은 북극권 내에서도 위도가 높을수록 길며, 위도가 90°인 북극점에서는 태양이 춘분에서 추분까지 반년 동안은 지평선으로 지지 않고, 추분에서 춘분까지 반년 동안은 지평선 위로 떠오르지 않는다. 이를 백야(白夜)라고 부른다.

백야

白夜

지구 극지방에서 하루 24시간 동안 계속 태양이 떠 있는 현상으로 지구의 자전축이 한쪽으로 기울어진 채로 태양 주위를 공전하기 때문에 일어난다. 지구의 한쪽 극이 6개월 동안 태양쪽으로 기울어져 있으면 다른쪽 극은 태양 반대쪽으로 기울어져 햇빛을 받지 못한다.

열대와 온대

熱帶－溫帶

우리나라보다 남쪽 지점에서는 천구의 북극은 낮고, 북위 23°27′지점에서는 하지 때 정오에 태양 고도가 90°, 즉 천정에 온다. 그보다 더 남쪽 지점에서는 하지를 전후한 며칠은 정오에 태양이 천정보다 북쪽에 오게 된다. 위도가 0°인 적도상에서는 극은 지평선으로 떨어지고, 하늘의 적도는 지평선과 수직이 되며, 태양의 일주호는 춘분에서 추분까지 반년 동안은 천구의 북쪽, 나머지 반년은 남쪽을 지난다.

북위 23°27′의 등위도선(等位度線)을 북회귀선(北回歸線)이라 하며, 이 위선과 남위 23°27′의 남회귀선 사이에 있는 지대를 열대라고 한다. 또한 우리나라처럼 열대와 한대 사이에 있는 지역을 온대라고 하는데, 온대는 계절 변화가 뚜렷한 지대이다. 계절 변화는 남반구는 북반구의 반대가 되며, 하지부터 1-2개월 사이에 북반구는 한여름이고 남반구는 한겨울이다.

천구상의 태양의 운동

태양 적경의 변화

太陽赤經－變化

이번에는 태양 적경이 1년 간 어떻게 변화하는지 살펴보자.

먼저 대문 밖에 서 있을 장소를 정해 놓고 그 위치에서 거의 정남향으로 키가 큰 나무를 고르거나 길다란 장대를 세워놓고 그것을 목표로 하면 된다. 그리고 밝은 별 하나를 선택하여 그것이 목표에 걸리는 시각을 매일 기록한다. 그러면 이 시각이 하루에 약 4분 정도 빨라진다는 것을 알 수 있다. 따라서 반년이라면 1시간, 한 달이면 2시간 빨라진다는 계산이 나온다.

이 관찰로 생각할 수 있는 것은 만약 반대로 관찰 시각을 일정하게 정해두고 같은 별을 관찰하면 날짜의 경과와 함께 별의 위치가 서쪽으로 기울어지는 것과 같은 결과를 얻을 수 있다. 시각은 언제를 택해도 마찬가지이므로 낮에 만약에 별이 보이면 시각을 정오로 했을 때 매일매일 그 별은 서쪽으로 빗나가게 된다. 정오에 태양은 정남향에 있으므로 이 별은 태양으로부터 점점 서쪽으로 멀어져 가게 된다.

그러나 별은 천구에 고정되어 있는 것이기 때문에 이것은 반대로 태양이 천구상을 조금씩 동쪽으로 움직여 간다는 것을 의미한다.

태양년과 항성년

太陽年－恒星年

태양이 춘분점을 나온 뒤 황도상을 진행하여 다시 춘분점으로 돌아올 때까지의 시간을 태양년이라 한다. 또 황도상에 별이 있어 천구상을 지나는 태양이 그것과 겹친 뒤 다시 겹쳐질 때까지의 시간을 항성년이라 한다. 항성년은 태양년보다 약간 긴데 그 이유는 춘분점이 천구에 고정되어 있는 것이 아니라 조금씩 이동하고 있기 때문이다. 지구상에서 계절의 반복 주기는 태양년 쪽이며 항성년은 아니다.

계절

24절기

(二十四節氣) 옛날 중국에서는 춘분점에서 출발하여 황경 30°, 60°……와 같이 30°간격으로 12개의 점을 생각하여 태양이 각 점을 통과하는 순간을 중(中)이라고 하였으며, 또 중간의 황경 15°, 45°……의 점을 태양이 통과하는 순간을 절(節)이라 하여 이 중과 절을 합쳐서 24절기로 불렀다. 그리고 각 계절에 어울리는 이름을 붙여 그것을 달력에 표시하였다. 사실 중국에서는 24절기 시각을 구하는 것이 그 당시에 달력을 만드는 데 있어 중요한 의미를 갖고 있었다. 우리나라도 중국의 역법을 도입하였기 때문에 24절기를 달력에 표시하였는데, 계절을 나타내는 좋은 표시가 되기 때문에 현재까지도 달력에 표시하고 있다.태양이 황도상을 진행하는 속도는 일평균 0°.9856이며, 태양의 겉보기 지름은 약 32′이므로 하루에 지름의 두 배 가까이 움직이는 셈이 된다. 더욱이 이 속도는 일정하지 않으며, 1월 초가 가장 빠르고, 7월 초가 가장 느리며, 그 속도는 평균치에서 약 3% 정도 달라진다. 조선 세종 26년(1444)에 간행된 『칠정산내편(七政算內篇)』에는 24절기에 대해 이렇게 적혀 있다."1월 입춘은 1월의 절기이고 우수는 중기이다. 동풍이 불어서 언 땅이 녹고 땅 속에서 잠자던 벌레들이 움직이기 시작하면 물고기가 얼음 밑을 돌아다닌다. 기러기가 북으로 날아가며, 초목에서 싹이 튼다. 2월 경칩은 2월의 절기이고, 춘분은 중기이다. 복숭아꽃이 피기 시작하고, 꾀꼬리가 울며, 제비가 날아온다. 3월 청명은 3월의 절기이고, 곡우는 중기이다. 오동(梧桐)이 꽃피고 산비둘기가 깃을 털고, 뻐꾸기가 뽕나무에 내려앉는다. 4월 입하는 4월의 절기이고, 소만은 중기이다. 청개구리가 울고 지렁이가 나오며, 씀바귀가 뻗어오르며, 냉이〔靡草〕가 죽고 보리가 익는다. 5월 망종은 5월의 절기이고, 하지는 중기이다. 왜가리가 울기 시작하며, 사슴의 뿔이 떨어진다. 매미가 울기 시작한다. 6월 소서는 6월의 절기이고, 대서는 중기이다. 더운 바람이 불고 귀뚜라미가 벽에 다니며, 매가 사나워지고, 썩은 풀이 화하여 반딧불이가 된다. 흙이 습하고 더워지며, 때로 큰비가 내린다. 7월 입추는 7월의 절기이고, 처서는 중기이다. 서늘한 바람이 불고 이슬이 내리며, 쓰르라미가 울고 매가 새를 많이 잡는다. 벼가 익는다. 8월 백로는 8월의 절기이고, 추분은 중기이다. 기러기가 날아오고, 제비가 돌아가며, 뭇새들이 먹이를 저장한다. 물이 마르기 시작한다. 9월 한로는 9월의 절기이고, 상강은 중기이다. 국화가 노랗게 피고, 초목이 누렇게 낙엽지고, 땅 속에서 잠을 자는 벌레들이 땅 속으로 들어간다. 10월 입동은 10월의 절기이고, 소설은 중기이다. 물이 얼기 시작하고 땅이 얼기 시작하며, 겨울이 된다. 11월 대설은 11월의 절기이고, 동지는 중기이다. 범이 교미(交尾)를 시작하며, 고라니의 뿔〔미角〕이 떨어지고 샘물이 언다. 12월 소한은 12월의 절기이고, 대한은 중기이다. 기러기가 북으로 돌아가고, 까치가 깃을 치기 시작하며, 닭이 알을 품는다. 나는 새가 높고 빠르며, 물과 못이 두껍고 단단하게 언다."

24절기
음 력		절 기	양 력	태양 황경
1월	절 중	입춘(立春) 우수(雨水)	2월 4일경 2월 19일경	315° 330°
2월	절 중	경칩(驚蟄) 춘분(春分)	3월 6일경 3월 21일경	345° 0°
3월	절 중	청명(淸明) 곡우(穀雨)	4월 5일경 4월 20일경	15° 30°
4월	절 중	입하(立夏) 소만(小滿)	5월 6일경 5월 21일경	45° 60°
5월	절 중	망종(芒種) 하지(夏至)	6월 6일경 6월 21일경	75° 90°
6월	절 중	소서(小暑) 대서(大暑)	7월 7일경 7월 23일경	105° 120°
7월	절 중	입추(立秋) 처서(處暑)	8월 8일경 8월 23일경	135° 150°
8월	절 중	백로(白露) 추분(秋分)	9월 8일경 9월 23일경	165° 180°
9월	절 중	한로(寒露) 상강(霜降)	10월 8일경 10월 23일경	195° 210°
10월	절 중	입동(立冬) 소설(小雪)	11월 7일경 11월 22일경	225° 240°
11월	절 중	대설(大雪) 동지(冬至)	12월 7일경 12월 22일경	255° 270°
12월	절 중	소한(小寒) 대한(大寒)	1월 6일경 1월 21일경	285° 300°

계절의 성립

季節－成立

지구의 궤도는 타원이므로 지구와 태양의 거리는 1년 주기로 증감한다. 그리고 태양에 가장 가까운 근일점을 1월 초에, 가장 멀어지는 원일점을 7월 초에 통과한다. 이것은 계절과는 반대이며, 계절의 원인이라고는 생각할 수 없다. 그러면 계절은 어떻게 해서 생기는 것인지 알아보자.

지구 자전축의 방향

地球自轉軸－方向

지구의 자전축은 공전 궤도면(황도면)의 수직 방향에 대해 황도 경사 ε이라는 경사를 갖고 있으며, 천구에 대해 그 방향을 일정하게 유지하고 있다.

태양과 지구를 잇는 직선과 자전축 사이의 각은 천구상에서는 90°에서 태양 적위를 뺀 것으로, 1년 간 최대 90°+ε과 최소 90°-ε 사이를 연속적으로 변화한다. 이 자전축의 태양에 대한 방향 변화가 계절을 만드는 것이다. 이와 같은 방향 변화로 인해 생기는 직접적인 영향으로 일조(日照) 시간의 변화와 태양 고도의 변화 두 가지를 생각할 수 있다.

일조 시간의 변화

日照時間－變化

일조 시간이 변화하면 지표가 받는 태양 에너지(자외선·광선·열선으로 구성된 방사에너지) 총량이 변화한다. 지표는 열을 보존하기 때문에 그로 인해 더위와 추위가 생긴다. 춘분과 추분 무렵에는 일조 시간이 12시간 정도이고 하지 무렵에는 거의 14시간 45분이나 되며, 반대로 동지 무렵에는 9시간 45분 정도에 그친다. 따라서 여름과 겨울은 거의 5시간이라는 커다란 차이가 난다.

태양 고도의 변화

太陽高度－變化

태양 고도 변화로 인한 영향은 방사 온도계로 직접 조사할 수도 있지만 다음과 같이 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 지표를 단위 면적을 가진 평면으로 가정하고 그 하나를 ABCD라고 하자. 태양 에너지도 같은 단위 면적으로 자른 부분 EFGH를 가정할 수 있다. 이 두 개의 면이 평행인 경우, 즉 태양 고도가 90°인 경우에는 입사(入射) 에너지의 전체량이 모두 지표의 단위 면적에 들어간다. 그러나 태양 고도가 h가 되었을 때 같은 양의 태양 에너지는 지표의 ABC′D′로 확산되어 입사한다. 다시 말해서 같은 단위 면적 ABCD에 입사하는 양은 태양 고도가 낮을수록 적어진다.

이와 같이 지표의 넓은 부분에 받는 에너지의 총량이 태양 고도의 차이로 인해 달라진다.

한여름과 한겨울

그러나 하지는 6월 하순, 동지는 12월 하순임에도 불구하고 실제로 혹서와 혹한은 그로부터 한 달 이상이나 늦어진다. 이것은 왜 그런 것일까.

지구뿐만 아니라 모든 물체는 열에너지를 받으면 그것을 보존하여 온도가 상승한다. 그러나 동시에 그 온도에 따른 방사 에너지를 방출하여 일정한 온도를 유지하려는 성질을 갖고 있다. 이것은 지구의 경우에도 마찬가지로, 태양에서 오는 에너지는 지표에 도달하기 전에 대기에 의해 흡수, 반사, 산란(散亂) 등의 작용을 받아 일부를 빼앗긴 뒤 그 나머지만 지표에 도달하는 것이다. 더욱이 지면이나 지상의 물체는 지표에 도달한 에너지를 보존함과 동시에 외부로도 방출한다. 지구에서 방사된 에너지의 일부는 대기 밖으로 흘러나가지만, 그 나머지는 대기 자체를 데우는 작용을 한다. 이와 같이 지표 자신의 온도와 대기에 의한 온도로 인해 계절에 약간의 차질이 생기는 것이다. 또한 난류나 한류 등 해수의 온도도 육지의 계절에 영향을 미친다.

하지점과 동지점

夏至點－冬至點

해마다 태양이 지구의 최남단이나 최북단에 위치하는 지점으로 하지는 6월 21일경이고, 동지는 12월 21일경이다. 북반구에서 하지는 1년 중 낮이 가장 길며, 여름이 시작됨을 뜻한다. 마찬가지로 동지는 1년 중 낮이 가장 짧으며, 겨울이 시작됨을 알린다.

지구는 자전축이 기울어져 있어서, 1년 동안 태양이 머리 바로 위에 오는 위도가 계속 달라진다. 지구의 적도는 지구의 공전궤도면에 대해 23°27′의 각으로 기울어져 있다. 하지는 태양이 그 가운데서 가장 북쪽인 북회귀선(북위 23°27′) 바로 위를 지나는 때이고, 동지는 태양이 가장 남쪽인 남회귀선(남위 23°27′)바로 위를 지나는 때이다.