지구가 태양에 더 가까워져서 여름이 더운 것일까? 그렇지 않다. 길쭉한 타원 모양인 공전 궤도에서 여름이 아닌 겨울에 오히려 지구가 태양에 더 가깝다. 태양이 가까워서 여름이 더운 것이 아니다.
마찬가지로 태양까지 거리가 가까워 한낮이 아침저녁보다 기온이 높을 리도 없다. 그럼 해가 중천에 뜬 한낮이 더 더운 이유는 무얼까? 추운 겨울날 꽁꽁 언 손을 난롯불에 녹일 때 우리는 손바닥을 난로를 향해 펼친다. 난로에서 에너지를 싣고 방출되는 전자기파의 진행 방향과 손바닥이 정확히 수직일 때 손바닥의 단위면적에 입사되는 에너지가 최대이기 때문이다. 마찬가지다. 같은 면적의 지면에 태양이 지구로 보낸 전자기파가 전달하는 복사 에너지는 햇빛과 지면의 각도에 따라 달라진다. 머리 위에 해가 있을 때 단위면적당 지면에 도달하는 햇빛의 양이 가장 많고 해가 지평선 위에 낮게 떠 있을 때 단위면적당 지면에 도달하는 햇빛의 양이 적다. 한낮이 뜨거운 이유는 거리가 아니라 각도 때문이다.
지구 자전축이 지구 공전 궤도면에 수직인 가상의 상황에선 어떤 일이 생길까? 적도 지역에선 햇빛이 지면에 수직 방향이어서 늘 여름이고, 북반구 우리나라에서는 매일 해가 똑같은 경로로 움직여 사시사철 같은 날씨가 된다. 자전축이 기울지 않은 지구라면 모든 지역에서 계절 변화가 없어 더운 나라는 계속 덥고 추운 나라는 계속 춥다. 자전축이 기울지 않으면 사계절이 없다.
사실 지구 자전축은 공전 궤도면에 대해 약 23.5도 기울어 있다. 사과를 지구로, 젓가락을 지구 자전축으로 생각하자. 정확히 한가운데를 통과하도록 젓가락 꽂은 사과를 오른손으로 쥐고 젓가락을 오른쪽으로 23.5도 기울이자. 왼쪽에서 쏟아지는 상상의 햇빛은 사과의 적도 남쪽 지역에서 사과 표면과 직각을 이루게 된다. 지구도 사과와 같다. 태양이 있는 쪽의 반대 방향으로 자전축의 북쪽 부분이 기울어 있을 때 남반구에 여름이 찾아오고, 그 반대로 기울어 있을 때 북반구에 여름이 찾아온다.
우리나라의 여름이 더운 이유는 이즈음에 지구 자전축이 태양이 있는 방향으로 기울어 있기 때문이다. 반년이 더 지나면 자전축은 태양 반대 방향으로 기울어 겨울이 된다. 우리나라에서 사계절이 반복되는 이유는 지구 자전축이 기울어서다.
지구에 관한 천문학과 복사 에너지에 관한 물리학으로 여름은 왜 덥고 사계절은 왜 생기는지 설명해보았다. 더운 여름이 왜 점점 더 더워지는지는 다른 문제다. 태양 활동성이 변한 것도 아니고 지구 공전 궤도나 자전축이 변한 것도 아닌데, 왜 여름은 점점 더 더워질까?
태양이 지구로 보낸 전자기파는 대기를 통과해 에너지를 지표면에 전달한다. 이렇게 지구에 입력으로 들어온 에너지는 지구에서 온갖 변화를 만들어낸 다음 지구에서 우주로 다시 출력된다. 물리학의 에너지 보존 법칙에 따르면 지구의 입출력 에너지는 결국 평형을 이루게 된다. 입력이 출력보다 커서 지구에 에너지가 쌓여 기온이 상승한다는 것은 잘못된 설명이다. 점점 여름이 더워지는 이유는 바로 대기에 포함된 온실효과를 만들어내는 여러 기체, 특히 이산화탄소 때문이다.
이산화탄소가 포함된 대기는 짧은 파장의 전자기파에는 투명해서, 지구에 유입되는 태양 복사 에너지는 이산화탄소의 영향을 크게 받지 않는다. 하지만 지구는 주로 파장이 긴 전자기파 영역에서 에너지를 지구 밖으로 방출하는데 이 파장 영역에서는 대기 안의 이산화탄소가 에너지를 흡수해 지구 밖으로 방출되는 복사 에너지의 출력량을 줄인다. 물론 에너지 보존 법칙에 따라 이 상황이 지속될 수는 없다. 결국 대기 온도가 더 오르면서 에너지의 출력량이 커져서 지구의 에너지 입출력의 평형점이 더 높은 대기 온도에서 형성된다. 대기 중 이산화탄소가 많아지면 지구 대기의 온도가 오르고, 이렇게 온도가 오른 대기는 또 더 많은 수증기를 포함하게 된다. 수증기도 온실효과를 만들어내는 온실가스다. 결국 요즘 여름이 점점 더 더워지고 있는 이유는 이산화탄소의 증가와 이로 말미암은 수증기의 증가 때문이다.
기온이 오르면서 수증기가 늘어난 대기는 큰 에너지를 담고 있어 폭풍이 더 강해지고 폭우와 홍수도 빈번해진다. 기온이 오르면 나무가 가지고 있는 액체 상태의 물이 수증기 형태로 대기로 방출되어 나무가 말라 산불이 더 크게 번진다. 더운 여름이 더 더워지는 것은 늘어난 이산화탄소 때문이다. 우리 때문이다.
