6-5 계절의 변화 · 소주제 3 / 3

계절이 바뀌는 까닭

남중 고도가 높으면 왜 더울까요? 같은 양의 햇빛이라도 비스듬히 비추면 넓게 퍼져서 같은 넓이의 땅이 받는 에너지가 적어요. 서울에서 하지 한낮(약 76°)에는 바로 위에서 비출 때의 97%를, 동지 한낮(약 29°)에는 48%만 받아요 — 동지의 햇빛은 하지보다 2배쯤 넓게 퍼지는 셈이에요. 그래서 남중 고도가 높은 여름에 땅이 더 많이 데워져요. 게다가 여름에는 낮이 길어 햇빛을 더 오래 받아요.

같은 양의 햇빛이 땅에 닿는 넓이 — 태양 고도가 낮으면(오른쪽) 넓게 퍼져 같은 넓이가 받는 햇빛이 적어요.

직접 해 보기

햇빛이 닿는 넓이

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자료 · 계산 햇빛이 닿는 넓이 = 1 ÷ sin(태양 고도), 전등 실험의 온도는 실험을 본뜬 어림(실제 측정값 아님), 지구와 태양 사이의 거리는 JPL 궤도 요소(J2000)로 계산, 사진 위키미디어 공용(경복궁 향원정 겨울 · 여름, NASA DSCOVR EPIC 네 계절의 지구)

해 볼 것 · 오른쪽의 태양 고도를 바꾸며 햇빛이 닿는 넓이와 같은 넓이가 받는 햇빛(%)을 읽어 봐요.

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전등 실험

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해 볼 것 · 먼저 예상해 보세요 — 바로 위에서 비춘 모래와 비스듬히 비춘 모래 가운데 어느 쪽의 온도가 더 많이 오를까요? ▶ 10분 비추기를 눌러 봐요.

실험

태양 고도에 따른 온도 변화 실험하기

전등을 비추는 각도를 다르게 해서 모래의 온도가 오르는 정도를 견줘요.

준비물

같은 전등 두 개
모래를 담은 같은 그릇 두 개
온도계 두 개
각도기
초시계

과정

같은 양의 모래를 담은 그릇에 온도계를 같은 깊이로 꽂아요.
전등 하나는 모래를 바로 위(90°)에서, 다른 하나는 비스듬히(30° 쯤) 같은 거리에서 비춰요.
10분 동안 2분마다 두 온도계의 눈금을 읽어 적어요.

다르게 할 것: 전등이 모래를 비추는 각도
잴 것: 모래의 온도 변화
같게 할 것: 같은 전등 · 같은 거리 · 같은 모래의 양 · 같은 시간

결과와 까닭 보기

결과 바로 위에서 비춘 모래의 온도가 더 많이 올라요.

까닭 빛을 비스듬히 비추면 같은 빛이 넓게 퍼져 같은 넓이가 받는 에너지가 적어요 — 태양 고도가 낮은 겨울에 땅이 덜 데워지는 것과 같아요.

⚠ 켜 둔 전등은 뜨거우니 만지지 않아요.

집에서 손전등을 바닥에 수직으로, 비스듬히 비춰 밝은 부분의 넓이와 밝기를 견줘 봐요.

그러면 남중 고도는 왜 계절마다 달라질까요? 지구는 자전축이 기울어진 채(약 23.5°) 태양 둘레를 공전해요. 자전축은 공전하는 동안 늘 우주의 같은 쪽을 향해서, 북쪽이 태양 쪽으로 기울어진 자리(하지 무렵)에서는 우리나라의 남중 고도가 높고, 반대쪽 자리(동지 무렵)에서는 낮아요. 그래서 땅이 받는 태양 에너지가 달라져 계절이 바뀌어요.

자전축이 기울어진 채 공전하는 지구(북극 위에서 보면 시계 반대 방향) — 자리에 따라 서울의 남중 고도가 달라져요(숫자).

만약 자전축이 기울어지지 않고 공전 궤도면에 수직이라면, 지구가 어느 자리에 있어도 남중 고도(서울 약 52°)와 낮의 길이가 같아 계절의 변화가 생기지 않아요. 여름이 더운 것은 태양과 가까워서가 아니에요 — 지구는 오히려 1월 초에 태양과 가장 가까워요(약 1억 4,710만 km).

자전축을 세운 채 공전한다면(가정) — 네 자리 모두 서울의 남중 고도가 같아요.

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기울어진 자전축

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해 볼 것 · ‘자전축 세우기’를 눌러 네 자리의 남중 고도를 견줘 봐요.

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계절 3D

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자료 · 계산 지구 겉면 NASA 블루 마블(퍼블릭 도메인) + 코드로 그린 모형 — 자전축 약 23.5°, 태양까지의 거리 · 크기는 줄임, 남중 고도와 낮의 길이는 서울의 실제 천문 계산

해 볼 것 · ▶ 1년 흘려 보기를 누르고 북극 쪽이 태양을 향할 때와 반대쪽을 향할 때 서울의 남중 고도 · 낮의 길이를 봐요. 자전축을 세우면 어떻게 될까요?

실험

자전축 기울기에 따른 남중 고도 변화 모형실험하기

지구본의 자전축을 기울인 채 · 세운 채 전등 둘레를 공전시키며 우리나라에서의 남중 고도를 견줘요.

준비물

지구본
전등(태양)
태양 고도 측정기(작은 것)
각도기
공전 궤도를 그린 큰 종이

과정

지구본의 우리나라 자리에 작은 태양 고도 측정기를 붙여요.
자전축을 기울인 채(같은 방향을 유지하며) 전등 둘레의 네 자리로 옮기고, 측정기가 전등을 향했을 때(한낮)의 태양 고도를 재요.
자전축을 수직으로 세우고 같은 방법으로 네 자리에서 다시 재요.

다르게 할 것: 자전축의 기울기(기울임 · 세움)
잴 것: 네 자리에서의 남중 고도
같게 할 것: 같은 전등 · 같은 공전 궤도 · 같은 측정기 자리

결과와 까닭 보기

결과 자전축을 기울이면 자리마다 남중 고도가 달라지고(가장 높은 자리 = 여름), 자전축을 세우면 네 자리의 남중 고도가 모두 같아요.

까닭 자전축이 기울어진 채 공전하기 때문에 계절에 따라 남중 고도가 달라지고, 땅이 받는 태양 에너지가 달라져 계절이 바뀌어요.

⚠ 전등이 뜨거우니 만지지 말고, 지구본은 두 손으로 옮겨요.

집에서 공과 손전등으로 막대(자전축)를 기울인 채 · 세운 채 돌리며 북쪽 반구가 받는 빛을 견줘 봐요.

나뭇잎이 푸르게 우거진 경복궁 향원정 — 같은 곳의 여름 무렵 — 같은 경복궁 향원정의 여름 무렵과 겨울, 우주에서 본 네 계절의 지구(6월에는 북극 쪽이, 12월에는 남극 쪽이 태양을 향해 더 많이 보여요).

눈 덮인 경복궁 향원정 — 겨울 — 같은 경복궁 향원정의 여름 무렵과 겨울, 우주에서 본 네 계절의 지구(6월에는 북극 쪽이, 12월에는 남극 쪽이 태양을 향해 더 많이 보여요).

같이 풀어 보기 5햇빛이 닿는 넓이

서울에서 하지 한낮과 동지 한낮에 같은 넓이의 땅이 받는 햇빛을 견주면 어느 때가 얼마나 더 많을까요? (바로 위에서 비출 때를 100% 로 하면 하지 한낮 97%, 동지 한낮 48%)

▸ 풀이 보기

하지 한낮이 97%, 동지 한낮이 48% 이니 하지 한낮이 약 2배 더 많이 받아요(97 ÷ 48 ≈ 2). 남중 고도가 높을수록 햇빛이 좁은 곳에 모이기 때문이에요.

같이 풀어 보기 6자전축을 세우면

지구의 자전축이 기울어지지 않고 공전 궤도면에 수직이라면, 서울의 ① 남중 고도와 ② 계절은 어떻게 될까요?

▸ 풀이 보기

① 지구가 공전 궤도의 어느 자리에 있어도 남중 고도가 1년 내내 같아요(약 52°). ② 땅이 받는 태양 에너지가 1년 내내 비슷해 계절의 변화가 생기지 않아요. 계절이 바뀌는 것은 자전축이 기울어진 채 공전하기 때문이에요.

잠깐 퀴즈

계절이 바뀌는 까닭으로 옳은 것은?

✎ 이 소주제 문제 7개 풀어 보기