계절변화는 왜 생기는 것일까?

사계절이 뚜렷한 우리나라는 봄, 여름, 가을, 겨울에 맞춰 모든 일들을 진행한다. 그렇다면 계절의 변화는 왜 생기는 것인가에 대하여 알아보기로 하자. 우리들은 사계절이 규칙적이고 반복적으로 나타나는 현상임을 알고 있다.  봄이 오면 꽃이 피고, 여름이 오면 지루한 장마와 무더운 날씨가 계속되며, 가을이 되면 풍요로운 들판과 단풍잎으로 물든 산천을 볼 수 있고, 겨울이 되면 하얀 눈이 내린다는 것을 알고 있다.  또 여름은 덥고 겨울은 춥다는 사실도 알고 있다.  그럼 이런 봄, 여름, 가을, 겨울의 계절변화는 왜 생기는 것일까?  왜 여름은 덥고, 겨울은 추운 것일까?  계절변화는 지구가 자전축이 기울어져 태양 주위를 공전하는 2가지 요인의 동시작용으로 일어나는 것이다.  이것은 두 가지 요인 중 한 가지 현상만 나타난다면 계절변화는 일어나지 않는다는 것을 의미한다.  위의 2가지 요인에 의해 같은 지역에서 계절에 따라 태양의 고도차가 생기는 것은 물론 연교차 및 밤, 낮의 길이가 변화하는 현상이 나타나는 것이다.  관련된 법칙에는 어떠한 것들이 있는가?  모든 물체는 복사에너지를 방출한다.  특히 입사된 모든 에너지를 모두 흡수하고, 흡수된 모든 에너지를 완전히 방출하는 이상적인 물체를 흑체라고 한다.  태양이나 지구도 흑체라고 할 수 있다.  이러한 흑체가 방출하는 복사를 흑체복사라 하며, 흑체복사의 성질(에너지의 크기, 파장)과 흑체의 온도 사이에는 간단한 관계가 성립된다.  1) 플랑크 곡선  흑체가 방출하는 복사에너지의 크기는 온도에 따라 달라진다.  태양 복사 에너지의 분포 곡선이 6,000K의 흑체가 복사하는 곡선과 거의 일치하므로, 태양은 표면 온도가 약 6,000K인 흑체임을 알 수 있다.  이와 같이 플랑크 곡선은 주어진 온도에 대한 파장의 함수로 흑체 복사의 스펙트럼을 나타낸 것으로서, 각 파장에서 흑체가 방출하는 파동의 총에너지는 온도에 따라 다르다는 것을 보여준다.  고체나 기체 내에서 어떤 분자나 원자들은 스스로 진동하거나 또는 충돌에 의해 공간을 다양한 속도로 진동하며 이동하는데, 고온의 기체에서는 원자들 상호 간의 충돌이 많기 때문에 모든 가능한 에너지를 갖는 파동, 즉 모든 파장의 파동을 발생시키게 된다.  그러므로 고온의 흑체가 저온의 흑체보다 모든 파장에서 더 많은 에너지를 방출한다.  또한, 온도가 높을수록 보다 짧은 파장에서 (진동수가 클수록 광자당 에너지가 크다) 상대적으로 많은 에너지를 방출한다.  정리해 보면, 플랑크 곡선은 온도가 높을수록 최대에너지를 나타내는 파장이 점점 짧아지는 쪽으로 이동하고, 곡선의 밑면적은 점점 증가한다.  이러한 플랑크 곡선을 이용하여 빈의 변위법칙이나 슈테판-볼쯔만의 법칙 등을 유도할 수 있다.  온도가 높은 흑체일수록 최대 복사 에너지를 방출하는 파장은 짧아진다.  태양 복사는 그 파장의 범위가 약 0.2~4um이며, 최대 에너지는 약 0.5um 부근에서 나타난다.  이것은 가시광선 영역으로, 전체의 약 43%를 차지한다.  이보다 파장이 짧은 쪽은 자외선으로 약 7%가량을 차지하며, 나머지 적외선, 전파 등 파장이 긴 부분이 49% 정도를 차지하고 있다. 지구복사에너지는 무엇인가?  지구는 태양과 마찬가지로지구 복사 에너지를 끊임없이 방출하고 있다.  다만, 태양의 경우에는 복사 에너지의 약 절반가량이 가시광선 영역에 있으나, 지구의 경우에는 복사 에너지의 약 95%가 적외선 영역에 속하는 2.5~25um 파장대에 집중되어 있다.  지구가 방출하는 복사 에너지는 10um 부근에서 최고값을 가진다.  따라서 태양은 지구에 비해 주로 단파 복사를 하는 데 반해, 지구는 파장이 긴 영역에서 복사 에너지를 방출하는 장파 복사를 한다.  대기 중의 기체는 어떤 성질이 있을까?  기체들은 종류에 따라 각기 특정 파장의 복사 에너지만을 흡수하는 성질을 가지며, 이것을 선택 흡수라고 한다.  기체분자들은 자체적으로 진동하기 때문에 각각에 알맞은 파장의 전자파를 흡수한다.  예를 들어, 산소와 오존 분자는 파장 0.3um 이하의 자외선은 거의 흡수하지만 파장이 긴 가시광선은 대부분 통과시킨다.  또한 적외선 영역의 지표 복사와 적외선 영역의 태양 복사는 대기 중의 H₂O, CO₂ , O₂ 등의 성분이 흡수하게 된다.  이 중에서 대체로 8um 이하의 파장은 CO₂ , O₂ 등이 흡수하고, 12um 이상의 파장은 CO₂ 와 H₂O가 흡수하게 된다.  따라서 8~12um 파장 부분의 복사 에너지는 흡수되지 않고 지표면으로(또는 우주공간으로) 통과하게 되는데, 이를 전파의 창이라 한다. 태양 에너지는 태양으로부터 지구까지 우주 공간을 통과해 온다.  즉, 태양에서 지구로 오는 태양 에너지는 매질의 도움 없이 복사의 방법으로 전달되는 것이다.  따라서 우리는 이러한 태양에너지를 태양복사에너지라고 한다.  태양복사에너지는 파장이 긴 것부터 장파, 중파, 단파, 극초단파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선으로 구성되어 있다.  이 모든 것이 합쳐져 흰 빛으로 보이는 것이다.  이 중에서 파장이 짧은 감마선과 X선은 분자 자체의 결합이 강해서 진동수가 큰 N₂, O₂, O₃에 의해 흡수된다.  마찬가지로 파장이 긴 적외선은 분자자체의 진동수가 적은 CO₂ 와 H₂O에 의해 흡수되고, 진동수가 일치하는 대기 분자가 없는 가시광선만이 대기에 흡수되지 않고 지표까지 도달한다.  그렇기 때문에 가시광선은 외부의 별빛을 바라보는 창의 역할을 담당하며, 모든 생명의 에너지원이 된다. 자료출처:쉽게 배우는 기상학[교육과학사]