4.5. Seasons
[Figure 4-6]에서 볼 수 있듯 계절은 지구가 태양을 돌 때 지구의 자전축의 기울기에 의해 발생하게 됩니다. 지구의 자전축은 태양에 대한 지구 궤도의 평면에 수직으로부터 23.5˚ 기울어져 일 년 내내 우주에서 같은 방향을 가리키고 있습니다. 아래 그림과 같이 12월 22일(6월 22일도 마찬가지로)에 북극은 태양으로부터 가장 똑바로 기울어져 있습니다. 그러므로, 북반구에서는 1년 중 낮이 가장 짧은 날(태양 천정 각이 최고)은 동지이고, 낮이 가장 긴 날(태양 천정 각이 최저)은 하지입니다. 춘분과 추분은 낮과 밤의 길이(각 12시간씩)가 전 세계적으로 같습니다.
아래 [Figure 4-7]은 해양 및 대륙 위치 모두에서 북반구의 평균 계절 기온 변화를 보여줍니다. 일 년 중 가장 따뜻한 날은 하지 이후에 발생한다는 점에 유의하시길 바랍니다. (반대로 일 년 중 가장 추운 날은 동지 이후에 발생합니다.) 이것은 열 흐름 과정이 지구의 표면을 완전히 데우는 데(식히는 데) 필요한 시간상의 차이 때문입니다. 예를 들어, 12시에 태양 천정 각이 최대인 데 반해 가장 더운 시간대는 14~15시인 것과 같습니다.
4.6. Diurnal Temperature Variation
일교차는 지구가 자전축을 중심으로 자전함에 따라 같은 날 해가 뜨고 지면서 생기는 일사량의 변화(태양 천정 각의 변화) 때문에 생기는 낮 시간 동안의 최고 기온과 밤 시간 동안의 최저 기온 사이의 변화입니다. [Figure 4-8]은 하늘이 맑을 때 육지에 대한 일반적인 하루 동안의 기온 및 복사의 변화를 나타내는 것입니다.
지구가 따뜻해지는 것과 차가워지는 것은 전적으로 태양 복사와 지구 복사 사이의 불균형에 의해 좌우됩니다. 지구는 지구를 향해 들어오는 태양 복사를 통해 낮 동안 열(heat)을 받습니다. 이렇게 태양 복사를 통해 받은 열은 밤낮을 가리지 않고 지구 복사로써 우주를 향해 빠져 나갑니다.
일출 직후, 지구 표면을 향해 흡수되는 태양 복사(일사량)는 우주를 향해 빠져나가는 지구 복사보다 커지면서 지구 지표면을 따뜻하게 만들어줍니다. 최대 차이는 정오에 일어나지만, 최대 표면 온도 차이는 보통 오후 중반에 발생합니다. 이러한 시간 차이가 생기는 이유는 지표면과의 전도 및 대류 때문에 지면 근처의 공기가 가열되기 위해 시간이 필요하기 때문입니다. 지구는 일단 지구 밖으로 나가는 지구 복사의 비율이 일사량을 넘어서면 식기(차가워지기) 시작합니다.
밤에는 일사량이 없지만, 우주로 빠져나가는 지구 복사는 계속되며 지구의 표면은 계속 차가워집니다. 지구 표면이 차가워지는 것은 지구로 들어오는 태양 복사가 다시 우주로 빠져나가는 지구 복사의 양을 초과할 때인 해가 뜬 직후까지 계속됩니다. 보통 지표면 공기 온도가 최소일 때는 해가 뜬 직후에 발생합니다.
하루 동안의 온도 변화의 크기는 주로 지표면의 종류, 위도, 하늘의 상태(예 : 구름 또는 오염 물질 등), 공기의 수증기 함량 및 풍속의 영향을 받습니다. 낮은 위도, 맑은 하늘, 건조한 공기, 가벼운 바람과 함께, 육지에서 온도 변화는 최대입니다. 반대로, 높은 위도, 구름 낀 하늘, 습한 공기, 그리고 강한 바람과 함께 물에서 온도 변화는 최소입니다.
- 자전축(rotation axis) : 남극과 북극을 직선으로 연결한 선을 말하며 이 축을 중심으로 하루에 한 바퀴씩 자전합니다. 또한, 자전축을 중심으로 하루에 한 바퀴씩 자전합니다. 추가적으로 자전축은 23.5° 기울어져 있습니다. 이 때문에 계절이 생겨나는 것입니다. 지구는 태양을 중심으로 공전 운동을 하는데, 자전축이 기울어져 있는 탓에 지구의 위치에 따라 태양의 남중 고도가 달라집니다. 그로 인해 태양에너지가 좁은 지역에 집중돼 기온이 올라갈 때와 넓은 지역에 퍼져 기온이 낮은 때가 발생하게 되는 것입니다. 이게 바로 여름과 겨울이 생겨나는 이유입니다. 만약 지구 자전축이 수직이었다면 계절 변화는 없었을 것입니다.
- 남중 고도(meridian altitude) : 천체 고도는 지평선을 기준으로 천체의 높이 및 각도를 말하며, 천체가 남쪽 자오선에 위치하여 가장 높아진 고도를 말합니다.
- 일사량 : 태양 복사의 세기를 뜻합니다.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 4-5~8 해석