기상의 구조

제1장 기상이 바뀌는 구조

1-1 한국에 사계절이 생기는 이유 20
1-1-1 사계절이 생기는 곳은 중위도 지역뿐이다 20
1-1-2 사계절이 생기는 이유 21
1-1-3 태양의 남중고도에 따른 태양열의 차 22

1-2 지구의 자전과 공전 23
1-2-1 지구는 회전하면서 태양 주위를 돈다 23
1-2-2 지구 회전운동의 변화 24
1-2-3 지구는 회전 타원체 25
1-2-4 지구 자전으로 생기는 기상현상 26
1-2-5 지구의 공전 26

1-3 태양에서 받는 열의 양 29
1-3-1 위도에 따른 태양복사량의 차이 29
1-3-2 계절에 따른 태양복사량의 차이 30
1-3-3 태양열의 전달 31
1-3-4 태양에너지의 일부만 지구에 도달 한다 32
1-3-5 지표면의 장파복사 34

1-4 기온 36
1-4-1 기온 표시법 36
1-4-2 기온 변화가 기상 현상의 근본 원인 37
1-4-3 기온의 일변화와 년변화 38
1-4-4 기온의 분포 40
1-4-5 기온과 기압의 관계 (보일?샤르의 법칙) 40

1-5 대기의 구조 42
1-5-1 상공으로 갈수록 공기는 희박해 진다 42
1-5-2 대류권 성층권 중간권 열권 44

1-6 대기대순환 46
1-6-1 대기대순환의 원인은 태양에너지 46
1-6-2 무역풍 편서풍 극동풍 47
1-6-3 직접순환과 간접순환 50

1-7 해류의 순환 51
1-7-1 해수의 대순환 51
1-7-2 해류는 기상에도 영향을 준다 52

1-8 기단 54
1-8-1 기단의 특성 54
1-8-2 한반도에 영향을 미치는 기단 55

1-9 전선 59
1-9-1 전선의 발생 59
1-9-2 전선역에서 날씨가 나빠지는 원인 60
1-9-3 전선의 위치 찾는 법 61
1-9-4 한랭전선과 온난전선 61
1-9-5 온대저기압과 전선 63
1-9-6 폐색전선과 정체전선 64

1-10 기후 변화 66
1-10-1 기후와 기상의 차이 66
1-10-2 기상이변이란 66
1-10-3 기후변화의 요인 67
1-10-4 쾨푄(Koppen)의 기후구분 68
1-10-5 우리나라의 기후구분 69

1-11 대표적 기압배치와 사계절 기상 71
1-11-1 서고동저형 기압배치 71
1-11-2 서고남고형 기압배치 72
1-11-3 남고북저형 기압배치 73
1-11-4 북고남저형 기압배치 74
1-11-5 동고서저형 기압배치 75
1-11-6 동장군의 정체 76
1-11-7 서해안 지방의 폭설 77
1-11-8 비 한번 올 때마다 따뜻해지는 봄 77
1-11-9 장마를 초래하는 곳은 티벳고원 78
1-11-10 한국의 여름은 열대지방보다 덥다 79
1-11-11 열대야와 한 여름날 80
1-11-12 불쾌지수 80
1-11-13 추운 여름 81
1-11-14 의외로 비가 많은 가을 81
1-11-15 가을하늘은 여자의 마음 82
■일기속담 한마디

제2장 구름과 강수 구조

2-1 습도 84
2-1-1 물의 세 가지 형태 84
2-1-2 대기 중의 수증기 85
2-1-3 습도 86
2-1-4 현재습도 87

2-2 구름 89
2-2-1 구름을 만들어 보자 89
2-2-2 공기의 상승 91
2-2-3 기류의 수렴과 발산 93
2-2-4 자연계에서 구름의 생성 94
2-2-5 비행기구름 95
2-2-6 구름은 왜 하늘에 떠 있을까 96
2-2-7 구름 속으로 가 본다면 97
2-2-8 전기를 가진 구름도 있다 97

2-3 구름의 종류와 관측 99
2-3-1 구름에 의한 일기예측 99
2-3-2 비 내리는 구름과 내리지 않는 구름 99
2-3-3 다양한 구름 종류 100

2-4 안개 104
2-4-1 구름과 안개는 본질적으로 같은 것 104
2-4-2 시정이란 104
2-4-3 안개와 연무의 차이 105
2-4-4 스모그 106
2-4-5 안개의 생성원인 106
2-4-6 안개의 종류 107
2-4-7 안개 생성의 물리적 과정 109
2-4-8 안개가 사라질 조건 110

2-5 강수 111
2-5-1 비가 내리는 이유 111
2-5-2 더운 비 112
2-5-3 찬비 114
2-5-4 비의 종류 115
2-5-5 우박이 내리는 이유 117
2-5-6 눈의 형태 118
2-5-7 인간이 만든 비 119
2-5-8 강수확률 120
■일기속담 한마디

2-6 대기 안정도 122
2-6-1 공기 온도가 감소하는 비율(감율) 122
2-6-2 단열변화 과정 123
2-6-3 대기의 안정과 불안정 124

2-7 일기도와 일기예보 129
2-7-1 일기도 129
2-7-2 일기도의 역사 130
2-7-3 한 나라의 일기도에서 세계의 일기도로 131
2-7-4 한국의 기상관측 역사 131
2-7-5 현재 우리나라의 기상관측 133
2-7-6 일기도 그리는 법 134
2-7-7 일기도로 대기의 상태를 예측한다 138
2-7-8 일기도 보는 법 139
2-7-9 일기도가 만들어지는 과정 141
2-7-10 일기예보 142
2-7-11 기상청에서 하는 일 144
2-7-12 경보와 주의보 144

2-8 기상레이더와 기상위성 146
2-8-1 기상 레이더 146
2-8-2 기상위성의 역할 148
2-8-3 우리나라의 정지궤도위성 천리안 150

제3장 바람이 부는 구조

3-1 바람 154
3-1-1 공기가 움직이면 바람이 일어난다 154
3-1-2 바람이란 155
3-1-3 북풍이란 어디에서 어디로 가는가 155
3-1-4 바람의 세기 156
3-1-5 돌풍 158

3-2 기압 159
3-2-1 공기의 기압이란 159
3-2-2 기압을 발견한 사람 160
3-2-3 기압 표시법 161
3-2-4 기압의 높이에 따른 감소 161

3-3 기압과 바람의 관계 163
3-3-1 기압이 높은 곳 낮은 곳 163
3-3-2 상공의 진공청소기 163
3-3-3 기압은 높은 곳에서 낮은 곳으로 164
3-3-4 기압차가 생기는 이유 165
3-3-5 등압선과 기압경도 165

3-4 바람을 일으키는 힘 167
3-4-1 기압경도력 167
3-4-2 코리올리힘 169
3-4-3 마찰력 171
3-4-4 원심력 171

3-5 바람의 종류 173
3-5-1 지균풍 173
3-5-2 경도풍 174
3-5-3 지표면에 부는 바람 175
3-5-4 편서풍 177
3-5-5 편서풍의 발생원인 178
3-5-6 편서풍 파동 179
3-5-7 편서풍 파동의 절리(blocking)현상 179
3-5-8 계절바람 181
3-5-9 해풍 육풍 고요 182
■일기속담 한마디

3-6 저기압과 고기압 184
3-6-1 저기압이란 184
3-6-2 저기압의 생성 184
3-6-3 온대 저기압의 일생 185
3-6-4 온대 저기압의 에너지 188
3-6-5 온대 저기압의 날씨 189
3-6-6 고기압이란 190
3-6-7 고기압의 생성 190

3-7 태풍 193
3-7-1 열대저기압이란 193
3-7-2 열대저기압의 발생 194
3-7-3 열대저기압 발생장소 195
3-7-4 열대저기압의 분류 196
3-7-5 태풍의 일생 197
3-7-6 태풍의 진로 198
3-7-7 태풍의 구조 199
3-7-8 태풍의 풍속 분포 200
3-7-9 위험반원 가항반원 200
3-7-10 태풍 예측원 201
3-7-11 태풍에 수반되는 현상 203
3-7-12 태풍에 대한 대비 204

제4장 이상기상의 구조

4-1 이상기상이란 206
4-1-1 세계의 기상이변 206
4-1-2 기후변화 208
4-1-3 이상기상에 의한 기후변화 209
4-1-4 기후변화의 영향 209

4-2 엘니뇨 현상 211
4-2-1 엘니뇨란 211
4-2-2 엘니뇨현상 212
4-2-3 엘니뇨현상의 발생 212
4-2-4 엘니뇨현상의 영향 214
4-2-5 라니냐현상 215
4-2-6 라니냐현상의 발생 216

4-3 온난화 현상 217
4-3-1 태양에너지 218
4-3-2 지구의 열평형 218
4-3-4 온실효과 219
4-3-4 온실기체 221
4-3-5 지구온난화의 영향 223
4-3-6 지구온난화의 주범 224

4-4 산성비 현상 226
4-4-1 산성비(Acid Rain)란 226
4-4-2 왜 산성비가 내릴까 227
4-4-3 산성비의 영향 227
4-4-3 산성비에 대한 대책 228

4-5 사막화현상 230
4-5-1 사막화현상이란 230
4-5-2 사막이 늘고 있다 232
4-5-3 사막화현상의 대책 233
■일기속담 한마디

4-6 오존층 파괴 235
4-6-1 오존(O3)층이란 235
4-6-2 오존층 파괴 236
4-6-3 프레온가스의 배출규제 237

4-7 열섬현상 239
4-7-1 열섬현상이란 239
4-7-2 열섬현상의 원인 240
4-7-3 열섬현상의 문제점 241
4-7-4 열섬현상의 대책 242

제5장 여러 기상의 구조

5-1 푄현상 244
5-1-1 푄현상의 원리 244
5-1-2 우리나라의 높새바람 247

5-2 토네이도 248
5-2-1 토네이도 현상 248
5-2-2 토네이도의 발생 249

5-3 뇌우 251
5-3-1 뇌우의 발생 251
5-3-2 뇌우의 발생조건 251
5-3-3 번개의 발생 253
5-3-4 낙뢰가 생기는 과정 253
5-3-5 천둥소리 255
■일기속담 한마디

5-4 하늘의 색 256
5-4-1 햇빛의 성질 256
5-4-2 햇빛의 산란 257
5-4-3 하늘이 푸르게 보이는 이유 258
5-4-4 바다 색깔도 푸른 색 259
5-4-5 구름이 하얗게 보이는 이유 260
5-4-6 아침이나 저녁하늘이 붉어 보이는 이유 260
5-4-7 석양이 있은 다음날은 맑다 261
5-4-8 무지개 261
5-4-9 햇무리 달무리 262
5-4-10 신기루 263
5-4-11 오로라 264

제1장 기상이 바뀌는 구조

1-1 한국에 사계절이 생기는 이유

우리는 해마다 봄, 여름, 가을, 겨울과 같은 사계절을 맞이한다. 실제 봄, 여름, 가을, 겨울이 나타나는 계절 변화는 지구상 어느 곳에서나 다 나타나지 않는다. 우리가 살고 있는 중위도 지방에서만 볼 수 있다. 꽃이 피고 새가 울며, 아지랑이가 아른거리는 봄, 무더워서 바닷가 해수욕장의 푸른 바다에 몸을 적시는 여름, 산과 들에 아름답게 물드는 단풍과 싱그러운 바람이 코 속으로 스며드는 가을, 찬바람과 하얀 눈으로 뒤 덮인 겨울 풍경 등은 모두 우리나라에서만 볼 수 있는 풍경이다.

1-1-1 사계절이 생기는 곳은 중위도 지역뿐이다
사계절이 있는 곳은 우리나라를 비롯해 북반구의 중위도 지대인 미국, 중국 일부와 일본, 유럽, 지중해 연안 국가, 남반구의 뉴질랜드, 오스트레일리아 등이다. 극지방에 가까운 고위도 지방은 겨울이 대부분이고 나머지 약간이 여름이다. 봄과 가을은 거의 없다. 또 적도와 가까운 저위도 지방은 대부분이 여름이고 나머지 계절은 거의 없다.
그러면 여름은 덥고, 겨울이 추운 이유는 무엇일까. 지구가 태양주위를 타원을 그리면서 공전한다고 해서, 지구가 태양에 가장 가까울 때가 여름이고, 멀 때가 겨울일 거라고 생각한다면 맞는 걸까. 그렇다면 북반구와 남반구 모두가 동시에 겨울이 되고, 여름이 되어야 한다. 지구의 공전궤도가 타원이라 하지만, 가장 긴축의 길이를 1이라 하면 가장 짧은 축의 길이는 0.9998에 해당하여 거의 원에 가깝다. 그리고 지구와 태양의 거리는 1월 2일경이 가장 가깝고, 7월 4일경이 가장 멀리 떨어져 있다. 실제 북반구의 크리스마스는 겨울이고, 남반구는 여름의 해수욕장에서 크리스마스를 맞이한다.

1-1-2 사계절이 생기는 이유
그러면 왜 중위도 지역에서만 봄, 여름, 가을, 겨울과 같은 사계절이 있는 것일까. 지구는 1,670km/h의 속도로 자전하고, 태양 주위 약 960,000,000km의 타원궤도를 공전한다. 지구는 자전축이 태양 공전면에 대해 직각이 되어 있지 않고 23.5° 기울어져 공전한다. <그림 1-1-1>에 지구의 공전과 여름과 겨울의 태양 고도에 대해 나타낸다.
태양이 제일 남쪽에 왔을 때 태양과 지평면 사이의 각도를 태양의 남중고도(바로 섰을 때 머리 위에서 측정한 각도)라 하는데, 만약 지구가 <그림 1-1-1>의 (A) 지점에 있었다면 태양 광선은 우리나라가 있는 중위도 지역을 비교적 수직으로 비추겠지만, (B) 지점에서는 태양 광선이 기울어져 비추게 될 것이다. (C)와 (D) 지점은 그 중간이 된다. (A) 지점에 왔을 때 우리나라는 여름이 되고, (B) 지점에 왔을 때 겨울이 된다. (C)와 (D) 지점에서는 봄과 가을이 된다. 우리나라 서울 부근의 남중고도는 하지인 6월 21일경 가장 커서 약 75°, 동지인 12월 22일경 가장 작은 약 28°, 춘분인 3월 21일경과 추분인 9월 23일경은 약 51° 정도로 알려져 있다.

1-1-3 태양의 남중고도에 따른 태양열의 차
이처럼 중위도 지방의 여름이나 겨울에는 태양의 남중고도가 다르다. 여름은 태양이 높게 뜨고 겨울에는 그렇게 높게 뜨지 않는다. 따라서 중위도 지방은 계절에 따라 태양에서 받는 열의 양이 변화한다. 여름의 높이 뜬 태양으로부터는 단위 면적 당 받는 태양열의 양이 많다. 반대로 겨울에 낮게 뜬 태양으로부터는 태양열을 많이 받을 수 없다. 따라서 기온의 차가 생겨서 여름과 겨울이 생긴다. 봄과 가을은 그 중간이다. 한편 적도 부근의 저위도 지역이나 북극, 남극에 가까운 고위도 지방은 일 년 내내 덥거나 얼음으로 덮여 있다. 사계절을 만드는 주요한 원인은 지구의 공전, 자전이며 이로 인해 태양에서 받는 열의 변화 때문에 나타난다. 만약 지구가 경사져서 공전하고 있지 않다면 한국은 1년 내내 봄이나 가을의 기후만 있을지도 모른다.

1-2 지구의 자전과 공전

지구는 직경이 평균 약 12,700km이고 태양의 직경은 지구의 약 109배나 된다. 또한, 지구와 태양과의 거리는 약 150,000.000km나 되기 때문에 태양을 직경 5mm의 원으로 가정한다면 지구는 불과 0.05mm에 불과하다. 우리 눈에 보이지도 않을 정도의 티끌만한 점과 같을 것이다. 그리고 그 위치를 종이에 그려보면 태양 원에서 약 50cm 떨어진 작은 먼지와 같은 점이 될 것이다. 이 지구와 태양과의 거리는 중요한데, 만약 지구가 너무 태양 가까이 위치하면 물은 액체 상태로 존재하지 않고 비도 내리지 않을 것이다. 너무 멀리 떨어져서는 기온이 낮아 극한의 별이 될 것이다.

1-2-1 지구는 회전하면서 태양 주위를 돈다
그러면 왜 지구가 자전하고 공전하는가. 천문학자들의 이론에 의하면 지구를 비롯한 모든 별이나 행성들의 회전은 탄생 초기의 거대한 먼지구름의 회전에서 기인하였다고 보고 있다. 즉, 먼지의 밀도가 중심부분에 집중되면서 인력에 의해 자연스레 끌려오는 운동이 시작된다. 하지만 먼지구름의 밀도는 일정하지 않고, 군데군데 비교적 밀도가 큰 덩어리를 이루면서 중심부와 인력 경쟁을 하게 된다. 이러한 과정 중에서 회전이 일어난다는 것이다.
지구는 북극과 남극을 연결한 선을 축으로 해 24시간에 1회전하고 있다. 지구의 자전주기는 23시간 56분이지만, 태양의 공전운동 때문에 태양이 어떤 지점에서 남중하고 그 다음 남중할 때까지는 약 24시간이 걸린다. 이 태양 운동에 바탕을 두고 하루를 결정한 것을 태양일이라 하고 1년간 태양일의 평균을 평균태양일이라 하여 24시간으로 정했다. 이것을 지구의 자전이라 한다.

1-2-2 지구 회전운동의 변화
현재 지구의 자전축은 지구의 공전궤도면에 대해 약 23.5°기울어져 있다. 이 자전축은 고정되어 있는 것이 아니라, 마치 팽이의 꼭지가 흔들거리면서 도는 것같이 약 41,000년 정도의 주기로 22∼24.5°의 범위에서 변화한다. 이 자전축의 기울기가 커지면 여름은 지금보다 더 더워지고, 겨울은 더 추워질 것이다(그림 1-2-1).
지구는 타원을 그리며 태양주위를 돈다. 현재는 북반구가 겨울인 12월이 남반구가 겨울인 6월보다 지구가 태양에 가깝다. 그러나 지구는 공전축 둘레의 타원궤도를 돌면서, 자전축은 달과 태양으로부터 짝힘을 받아 약 22,000년 주기로 공전과 같은 방향으로 세차운동을 하고 있다. 따라서 11,000년 후 북반구가 겨울일 때는 지구가 태양으로부터 멀어지게 된다(그림 1-2-2). 이 세차운동 중에는 16년 주기 등의 주기가 짧고 진폭이 작은 운동이 있는데, 이것을 장동(章動)이라 한다. 세차운동이나 장동은 팽이의 회전운동에서도 관찰된다. 이러한 운동은 천구상의 별의 위치를 기준으로 해서 관찰한 지구의 회전운동이다.

1-2-3 지구는 회전 타원체
현재 천구에서의 자전축 방향은 북극성을 향하고 있다. 그러나 지구가 완전한 구 대칭이 아니라 적도반경이 극반경보다 약 21km 더 크다. 축구공으로 치면 누군가 축구공을 위에서 발로 밟아 놓은 것 같은 적도 쪽 반경이 볼록해 있는 타원체이다. 우리가 물리학의 계산에 자주 인용하는 중력가속도는 지구와 물체간의 만유인력에 의한 중력가속도와 지구 자전으로 인한 원심력의 벡터 합이다. 만유인력에 의한 중력가속도는 지구 중심과 물체간의 거리의 제곱에 반비례 한다. 따라서 지구의 반경이 극지방보다 큰 적도지방은 중력가속도가 극지방보다 작다. 그리고 지구 자전의 원심력도 적도지방이 가장 크다. 따라서 신체검사에서 체중이 너무 나가는 사람은 적도지방에서 측정하면 조금 줄어들지 모른다.

1-2-4 지구 자전으로 생기는 기상현상
지구의 자전으로 인해 태양은 뜨고 진다. 하루에 햇볕이 드는 시간과 없는 시간이 생기고 공기나 해수의 온도차가 생겨 바람이 분다. 자전하고 있기 때문에 생기는 현상은 많다. 바람은 기압이 낮은 장소로 불어 들어가거나 휘어져서 불어들어 간다. 지구가 자전하지 않는다면 태풍은 발생하지 않고 낮과 밤의 기온 차로 생기는 해풍, 육풍도 불지 않는다. 지구자전에 의해 생기는 지상의 기상현상도 많이 달라질 것이다.

1-2-5 지구의 공전
북극과 남극을 일직선으로 연결하는 축을 지축이라 한다. 지축은 꼬챙이와 같은 존재이다. 실제로 존재하는 것은 아니나 지축은 약간 기울어져 있다. 지구가 태양 주위를 도는 공전면에 대해 경사진 상태이다. 지구는 1년을 주기로 태양주위를 일주한다. 이것을 지구의 공전이라 한다. 이 지구 공전은 중세 신학자이던 니콜라우스 코페르니쿠스가 1543년 출간한 “천구의 회전에 관하여” 에서 지구와 태양의 위치를 바꿈으로써 지구가 더 이상 우주의 중심이 아님을 천명한데서 비롯되었다. 이것은 당시 누구도 의심하지 않던 프톨레마이오스의 우주 체계에 대한 정면 도전이었고, 이 도전은 지구가 우주의 중심이고 인간은 그 위에 사는 존엄한 존재이며, 우주의 천상계는 영원한 신의 영역이라고 생각했던 중세의 우주관을 붕괴시키는 결과를 가져왔다. 그러나 코페르니쿠스의 이론은 관측 결과와 완전히 부합한 것이 아니어서, 이후 갈릴레오 갈릴레이, 케플러, 뉴턴과 같은 과학자들에 의해 수정되고 보완되어졌다. 이제 우리들 중 지구가 돌지 않는다고 생각하는 사람은 아무도 없다(그림 1-2-3).
지구가 태양 주위를 도는 것은 원운동으로도 해석할 수 있다. 태양과 지구사이의 만유인력이 지구 공전운동의 구심력이 되기 때문에, 일정한 원운동을 계속 유지할 수가 있는 것이다. 직선 운동하는 물체의 운동량이 보존되는 것처럼, 회전하는 물체에서는 각운동량이 보존된다. 즉, 한번 회전하는 물체는 외부에서 어떤 힘이 작용하지 않는 한 영원히 계속 회전한다는 뜻이다. 일부 세차운동 등의 영향으로 지구자전 속도에 변화가 있기는 하지만, 그렇다고 지구의 자전과 공전이 멈추지는 않을 것이다.
지축이 경사져 태양의 주위를 도는 것은 지구에 다양한 영향을 준다. 1년 중 위도에 따라 받아들이는 태양에너지 양이 변화한다. 적도 가까운 저위도 지방은 우기 또는 건기, 한국과 같은 중위도 지방은 사계절, 북극이나 남극과 같은 극지방은 하루 중 해가 지지 않는 백야가 생긴다. 지구의 자전과 공전이 있기 때문에 일기가 바뀌고 다양한 계절이 생긴다.

1-3 태양에서 받는 열의 양

태양은 지구의 109배 정도의 반경을 가지고 33만 배의 질량을 가진 큰 항성이다, 항성이란 자신의 에너지에 의해 빛나고 있는 별이다. 지구는 태양에서 1억5000천만km 떨어진 먼 장소에 위치해 있다. 그러나 태양의 표면온도는 절대온도 약 6000°K(절대온도는 -273.5℃를 0도로 하여 계산한 온도)로, 지구가 태양으로부터 받는 태양에너지의 양은 막대하다.

1-3-1 위도에 따른 태양복사량의 차이
지표면이나 대기 중의 기온을 지배하는 열원은 거의 태양에서 복사되는 에너지이다. 그러면 위도에 따라 지구가 받는 태양열에 차이가 나는 것은 왜 그럴까. 지구는 태양에 비해 매우 작아서 태양으로부터 오는 광선이 지구 전체를 똑 같이 비추어, 적도나 극지방 모두 같은 온도가 될 듯 생각되지 않았는가. 그렇지 않다. <그림 1-3-1>과 같이 태양 광선은 지면을 비추는 각도가 지구상의 위도에 따라 다르다.
즉, 적도 부근은 수직으로 비추고, 극 부근은 경사져 비추게 된다. 태양이 지면을 비추는 각도에 따라 받는 열량에 차이가 생기는 이유는 <그림 1-3-1>의 오른쪽 그림과 같다. 동일 직경의 속이 빈 원통을 통과한 태양 광선은 그림 (A) 경우, 태양 광선이 도달되는 지면 L에 6개의 광선이 존재하나, (B)의 경우는 4개 밖에 도달되지 않는다. 같은 양의 햇빛이 도달 되더라도 비추는 각도에 따라 동일 면적의 지면이 받는 열량에 차이가 나게 된다. 즉, 같은 양의 태양 빛이 넓은 면적에 퍼지면, 단위 수평 면적이 받는 빛의 양이 감소하여 춥게 된다. 따라서 적도지방은 덥고, 극지방으로 갈수록 추운 것이다.

1-3-2 계절에 따른 태양복사량의 차이
그러면 중위도와 같은 지방에서 여름과 겨울의 기온 차는 왜 생길까. 그것은 ① 앞장에서 설명한 계절에 따른 태양고도 때문이다. 즉, 여름에 비해 겨울이 태양고도가 낮아 태양 광선이 대기 중을 비스듬히 통과하게 되기 때문이다. 남향집은 여름에 햇빛이 방안에 거의 들어오지 않는데, 겨울이 되면 방안 깊숙이까지 따뜻하게 쬐는 경험에서도 알 수 있다. ② 또 한 가지 원인으로, 태양광선이 수직으로 공기층을 통과할 때와 비스듬히 통과할 때, 공기층을 통과하여 지표면까지 도달되는 거리에 차이가 나게 된다. 태양 고도가 높은 여름보다 태양 고도가 낮은 겨울에 태양 빛이 대기 중을 통과하는 길이가 길다. 따라서 겨울은 태양열 에너지가 상대적으로 긴 거리를 지나게 되어, 대기층 내에 많이 흡수되고 지표면에 도달되는 열량은 줄어, 기온이 그다지 올라가지 않게 된다. ③ 여름과 겨울의 일조시간의 차이도 있다. 태양이 지평선 위에 머무는 시간은 여름이 길고 겨울은 짧다. 실제 동지와 하지에 서울지방 낮의 길이를 보면, 동지는 해돋이 시각이 7시 44분, 해지는 시각이 17시 17분으로 낮의 길이는 불과 9시간 33분인데 비해, 하지는 해돋이 시각이 5시 11분, 해지는 시각이 19시 57분으로 낮의 길이가 14시간 46분이나 된다.

1-3-3 태양열의 전달
태양 복사열은 지구에 도달해서 다양한 기상현상을 일으킨다. 실제 태양 복사열 중, 지구에 도달되는 양은 태양이 가진 에너지의 극히 일부인 20억 분의 1정도이다. 그렇더라도 여름의 더위를 생각하면 태양에너지가 얼마나 막대한 것인지 상상할 수 있다. 태양열의 전달방법에는 전도, 복사, 대류라고 하는 3가지 방식이 있다.

(1) 전도
우리가 뜨거운 물체에 손을 대면 뜨겁게 느껴진다. 이것은 전도라고 하는 방식으로 열이 전달된 것이다. 열은 공기를 통해 잘 전도되지 않는다. 창문을 이중창으로 하여 창문과 창문사이에 공기를 갇히게 해, 방안의 따뜻한 공기를 바깥으로 전달하지 못하게 하는 것도 이 때문이다. 따라서 지구는 전도에 의해 태양으로부터 직접 열을 받을 수 없다.

(2) 복사
겨울철 난로나 장작불에 손을 가까이 대면 손이 따뜻해지는 것이 복사에 의한 열전달이다. 따뜻하게 느껴진 것은 주위의 공기가 더워져서가 아니라 불에서 열복사선(파장이 매우 작은 전자파의 일종)이 나와 불을 향한 면이 이를 흡수하였기 때문이다. 따라서 난로에 접한 면은 옷이 누를 정도로 뜨겁지만 뒷면은 조금도 따뜻하지 않다. 난로와 자기 자신 사이의 빈 공간을 통해 열이 전달된 것이다. 즉, 전도에 의해 몸이 따뜻해진 것이 아님을 알 수 있다. 열전도는 빈 공간 속에서는 잘 일어나지 않고, 고체와 같은 매체를 통해만 잘 일어난다. 공기층을 통과하는 것에는 소리가 들리는 음파, 방송국의 안테나에서 발사되는 전파나 긴 진공 속을 여행하여 지표면에 도달되는 태양광선 등이 있다. 음파는 공기가 없으면 전해지지 않으나 열복사선이나 전파나 광선은 진공 속에서도 전해진다. 이것들은 다 같은 전기와 자기의 파동인 전자파다. 단지 파장만 다를 뿐이다.

(3) 대류
물을 끓이면, 물이 아래로부터 데워지지 위로부터 데워진다고 생각하는 사람은 아무도 없다. 이것은 아래에서 데워진 물이 밀도가 작아 위로 올라가고, 위의 찬물은 밀도가 커 아래로 내려오기 때문이다. 윗부분을 냉각시켜 주어도 대류는 일어난다. 냉장고의 얼음을 내부의 위쪽에 놓도록 되어있는 것도 같은 이치이다. 이와 같이 열이 전달되는 방법이 대류이다. 대류는 액체와 기체에서만 일어난다. 앞에서 말한 열전도와 다른 점은, 열전도는 어떠한 물체 속에서 열만이 전해지는데 반해, 대류는 데워진 물체 자신이 이동하여 열을 운반하는 것이다. 원래 액체나 기체는 열을 전하기 어려우나 대류가 일어나면 열은 훨씬 더 잘 전해진다.

1-3-4 태양에너지의 일부만 지구에 도달 한다
태양은 복사에 의해 직접 우리들의 몸이나 지면을 데운다. 태양에서 지구로 복사되는 복사열량을 계산해 보면 <그림 1-3-3>과 같이, 지표면에 입사되기 전 복사량의 세기는 태양 광선에 수직인 대기권 밖 1cm2 의 면적에 1분당 1.98cal의 열량이 들어온다. 이 값을 태양상수라 한다. 여기서 1cal란 담수 1g의 온도를 1℃올리는데 필요한 열량이다.
지구 대기 바깥 쪽 경계면에서 받는 태양복사량은 지구의 단면적 R2 (여기서 R은 지구 반경)에 태양상수를 곱한 값과 같다. 이 양이 24시간 동안 4R2 넓이의 지표면에 분산되므로, 하루에 평균적으로 지구가 받는 양은 1분당 그 1/4인 약 0.5cal/cm2이 된다. 지구 대기 맨 윗부분에 들어온 태양 복사량을 100이라 하고, 그 양이 지구에 도달했을 때 어떻게 변하는가를 <그림 1-3-4>에 나타낸다.
들어온 복사량 중 30%는 대기에 의한 산란, 구름 및 지표에 의한 반사로 대기권 밖으로 나간다. 4%는 구름에 흡수되고, 16%는 대기 중의 수증기, 먼지, 오존 등에 의해 흡수된다. 나머지 50%는 지표면에 흡수된다. 한편, 지표면에 유입된 복사량 50%는 다시 지구 복사로 대기로 방출되고 대기와 구름에 흡수되었던 20%와 함께 우주로 방출되어 지구 전체의 열 균형이 이루어진다.

1-3-5 지표면의 장파복사
태양에서 복사된 에너지가 육지나 해양 표면에 도달해 흡수되는 것은 지구를 향해오는 전체 복사량의 약 절 반 정도이다. 일부는 대기 중의 구름에 반사되어 지표부근에 도달되지 않거나, 지표면에 도달해서도 지상의 눈, 해수면 등에 의해 반사된다. 또 지구는 밤이나 낮에도 더워진 열을 복사하고 있다.
대기가 존재하는 현실의 지표면 평균 온도는 약 15℃이다. 지구상에 대기가 없었다면 지표면의 평균온도는 -19℃가 될 것으로 추측된다. 그것은 대기 중 지표면의 장파복사를 흡수하는 수증기나 구름, 이산화탄소 등이 있기 때문이다. 대기 중의 수증기나 구름은 지표면의 장파복사를 흡수하여 데워짐과 동시에, 우주 공간과 지표면을 향해 다시 장파복사를 한다. 그 결과, 지표면은 태양의 단파복사와 이 장파복사에 의한 양쪽 열을 모두 받아 평균온도 15℃가 유지된다. 만약 수증기나 이산화탄소 그리고 대량의 열을 보유하고 있는 해수가 없다면 지구는 극단적으로 식어버린다. 우리들이 지구에서 생활이 가능한 것은 태양으로부터 열과 그것을 미세하게 컨트롤 해주는 이산화탄소나 수증기 그리고 광대한 바다의 덕분이다. 태양은 이처럼 지구의 많은 기상현상에 직접 영향을 주고 있고 있다.