왜 지구의 자전축 기울어짐이 계절을 만드는 걸까?

– 비판적 시각을 가진 당신을 위한 과학적 설명

많은 사람이 다음과 같은 의문을 가집니다.

“지구는 1년 내내 태양을 공전하고 있고, 태양과의 거리는 크게 바뀌지 않잖아요. 그러면 계절이 바뀌는 이유는 뭔가요?”
“지구가 23.5도 기울어졌다는 사실이 그렇게 큰 영향을 줄 수 있을까요?”
핵심부터 말하자면 지구가 태양을 돌 때, 자전축이 기울어져 있기 때문에 같은 면적에 도달하는 태양 에너지의 양(단위 면적당 태양 복사 에너지)이 계절에 따라 달라집니다.
이 에너지 차이가 바로 계절을 만들고, 더위와 추위를 결정합니다.

이 질문은 단순한 의심이 아닙니다. 오히려 매우 합리적이고 과학적인 사고의 시작점입니다. 지구는 둥글고, 태양은 아주 멀리 있으니까 ‘조금 기울었다고 해서 무슨 큰 차이가 있을까?’라고 생각하는 것도 당연합니다. 이 글은 기존 교과서의 요약 설명을 넘어서, 지구의 자전축 기울어짐이 실제로 어떻게 계절을 만드는지 근거를 바탕으로 명확히 설명해보려 합니다. 의심을 해소하고 스스로 납득할 수 있도록 설명해 보겠습니다.

계절이 만들어지는 이유

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1. 지구는 얼마나 기울어져 있을까?

지구의 자전축은 정확히 수직이 아닙니다. 약 23.5도 기울어진 채로 태양 주위를 1년에 한 바퀴 공전하고 있습니다.
더 중요한 사실은, 이 기울어진 방향이 공전하는 동안 변하지 않고 일정하게 유지된다는 점입니다.
즉, 지구는 항상 같은 방향(현재 기준 북극성 방향)을 향하며 태양 주위를 돌고 있는 것이죠.

이로 인해, 어떤 시기에는 북반구가 태양 쪽으로 더 기울어져 있고, 어떤 시기에는 남반구가 더 기울어져 있는 상태가 됩니다.
바로 이것이 계절 변화의 시작입니다.

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2. 계절을 결정하는 진짜 요인: 태양광의 입사각

계절을 만드는 핵심 물리량은 ‘태양 복사 에너지’입니다. 지구 표면에 도달하는 태양 에너지는 입사각(태양광이 지표면과 이루는 각도)에 따라 단위 면적당 양이 달라집니다.

• 태양이 하늘 높이 떠 있을수록(입사각이 클수록), 빛이 땅에 수직에 가깝게 도달하여 좁은 면적에 에너지가 집중됩니다.
• 반면 태양이 낮게 있을 때는 빛이 비스듬히 들어와 넓은 면적으로 퍼지며 약한 에너지만 전달됩니다.

이는 단순히 감각적 차원이 아니라, 수학적으로 정량화할 수 있습니다.

태양 복사 에너지(단위면적당) = 태양 총 복사량 × cos(입사각)

예시로, 입사각이 90도일 때는 cos(90°) = 1 → 최대 에너지
입사각이 30도면 cos(30°) ≈ 0.866 → 약 13% 감소
입사각이 10도면 cos(10°) ≈ 0.17 → 17%만 전달됨

즉, 같은 거리라도 입사각만 다르면 실제 지표면이 받는 태양 에너지는 최대 5~6배 이상 차이날 수 있습니다. 이 차이가 바로 여름과 겨울을 결정합니다.

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3. 태양과 지구 사이 거리 차이는 왜 계절에 큰 영향을 주지 못할까?

지구는 원형이 아닌 약간 찌그러진 타원형 궤도로 태양을 공전하고 있습니다.
이에 따라 태양과의 거리는 연중 약간 변합니다.

• 가장 가까울 때(근일점): 약 1억 4,700만 km
• 가장 멀 때(원일점): 약 1억 5,200만 km

이 거리 차이는 약 3.3%에 불과하며, 복사 에너지는 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 실제 에너지 차이는 약 6.9% 정도입니다.
따라서 계절 변화의 결정적인 요인은 태양과의 거리보다는 태양광이 비추는 각도(입사각)의 변화입니다.

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4. 지구가 둥글기 때문에 입사각 효과는 더욱 뚜렷해진다

지구가 둥글기 때문에, 같은 시각이라도 지역에 따라 태양광이 도달하는 각도는 다릅니다. 적도는 연중 내내 높은 입사각을 유지하지만, 고위도 지방은 계절에 따라 입사각이 크게 바뀝니다.

예를 들어, 서울과 같은 중위도 지역은 여름에는 태양이 거의 머리 위까지 올라가고, 겨울에는 낮게 떠 있기 때문에 입사각 차이에 따른 복사 에너지량 차이가 극명하게 나타납니다.

만약 자전축이 기울어져 있지 않았다면, 계절 변화는 거의 없었을 것입니다. 기온은 위도에 따라 일정하게 유지되었을 가능성이 크죠. 그러나 실제로는 자전축이 기울어져 있기 때문에, 북반구와 남반구는 반년마다 태양을 더 가까이, 또는 더 멀리 향하게 되고, 이로 인해 계절이 생깁니다.

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5. 입사각 차이가 만들어내는 계절적 에너지 분포

계절은 단지 기온이 바뀌는 현상이 아니라, 지구 표면이 받는 에너지의 총량 분포가 시간에 따라 달라지는 과정입니다. 이 차이가 대기 흐름, 해류, 강수량, 생태계 순환 등에도 영향을 줍니다.

• 여름철: 입사각이 크고 낮 시간이 길어 에너지가 집중
• 겨울철: 입사각이 작고 낮 시간이 짧아 에너지가 분산

이 모든 변화는 지구의 자전축 기울어짐에서 비롯된다는 사실은 수많은 위성 데이터, 복사 에너지 시뮬레이션, 수치 기후 모델을 통해 관측 및 검증되었습니다.

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6. 그래서 계절은 이렇게 바뀐다

시기	북반구 상태	남반구 상태	특징
6월 말	여름	겨울	북반구가 태양 쪽
9월 말	가을	봄	낮과 밤 비슷
12월 말	겨울	여름	남반구가 태양 쪽
3월 말	봄	가을	낮과 밤 비슷

 

마무리하며: 과학은 의심에서 시작되고, 논리로 설득된다

“자전축이 기울어졌기 때문에 계절이 생긴다”는 설명은 단순 암기가 아닙니다.
그 기울어짐이 어떤 방식으로 에너지 전달 양상을 바꾸고, 어떤 물리 법칙을 따라 계절의 기온 차이를 설명하는지를 직접 따져보면, 이 이론이 얼마나 탄탄한 과학적 근거 위에 서 있는지 스스로 납득할 수 있습니다.

지식은 강요가 아니라 설득입니다.
설득은 상대방의 의문을 진지하게 받아들이고, 거기에 응답할 수 있을 때 가능해집니다.