[이광식의 천문학+] 춘분, 하지, 동지에 태양이 지나는 길

태양이 매일 지나는 하늘의 길은 같지 않다. 태양의 경로는 일년을 통해 날마다 조금씩 바뀐다. 6월 21일 한국은 하지를 맞았다. 이날이 일년 중 태양이 가장 긴 경로를 지나는 날이며 낮이 가장 긴 날이다. 따라서 정오의 태양 고도도 가장 높다. 반대로 낮이 가장 짧은 동짓날은 태양 고도가 가장 낮으며 태양의 경로도 가장 짧다.

그렇다면 이 같은 변화는 무엇 때문에 생길까? 바로 지구의 남-북극을 잇는 자전축이 지구의 공전 궤도면에 대해 약 23.5도 기울어져 있기 때문이다. 자전축 기울기는 천체의 자전축과 공전축 사이의 각도를 말한다. 이는 또 천체의 적도면과 궤도면 사이의 각도와 같으며, 적도 기울기라고도 한다.

자전축과 공전축의 방향은 오른손 법칙을 이용하여 정할 수 있다. 천체의 북극 방향에서 바라보았을 때, 반시계 방향으로 자전하며, 마찬가지로 궤도면의 수직 방향에서 바라보면 천체는 반시계 방향으로 공전한다. 태양은 북반구의 하짓날 북위 23.5도까지 올라온다. 그리고 동짓날에는 남위 23.5도까지 내려간다. 남반구는 물론 이와 반대다. 이 태양의 경로 최북위 23.5도를 북회귀선, 최남위 23.5도를 남회귀선이라 한다.

하짓날 태양의 고도는 가장 높은 지점에 도달하는데, 이로 인해 일조량이 최대가 되고 무더운 여름을 만든다. 따라서 기온과 계절은 지구와 태양 간의 거리가 아니라, 태양의 고도에 따라 변하는 것이다. 이처럼 하짓날 북반구의 땅표면은 태양으로부터 가장 많은 열을 받음에 따라 하지가 지나면서 몹시 더워지고, 장마가 시작되는 지방도 생긴다. 그렇다고 하지가 가장 더운 것은 아니다. 땅덩어리가 달구어지는 데는 시간이 필요하므로 대략 2달 뒤인 8월께가 가장 더운 시기가 된다. 그렇다면 태양 고도가 가장 높은 하짓날 서울의 태양의 남중 고도는 얼마나 될까? 서울은 북위 약 37.5도에 위치하므로, 태양이 북위 23.5도까지 치고 올라오면 그 간극은 37.5-23.5=14(도)가 된다. 90도에서 이 14도를 빼면 76도가 되는데, 이것이 바로 하짓날 서울의 태양 고도다. 그러니까 수직에서 14도 빗겨난 머리 위에서 햇빛이 내리쬐는 셈이다. 이 시기 적도에서는 수직에서 23.5도 빗겨나 햇빛이 내리쬐므로, 일조량이 서울보다 더 낮다는 계산이 나온다.

여기 사진에서 보이는 태양 경로의 호는 각각 하지, 춘분, 동지의 3일의 정오부터 일몰까지 하늘에서 가장 높은 곳에서 가장 낮은 곳까지 촬영한 것으로, 시간과 장소는 2020년과 2021년, 이탈리아 시칠리아의 가토 코르비노 마을 근처다. 이 마을의 북위를 알아보자면, 하짓날 태양의 남중 고도가 77도이므로 90-77=13, 여기에 23.5를 더하면 36.5(도)가 바로 북위다. 서울보다 1도 아래이므로 태양 고도가 1도 더 높다.