남중고도

놀이터에서 놀다 보면 아침에는 내 키보다 훨씬 길었던 그림자가 점심 무렵이 되면 하루 중 가장 짧아지는 모습을 볼 수 있어요(여름에는 발밑 가까이 짧아지지만, 완전히 사라지지는 않아요). 태양이 우리 머리 위 높이 올라올수록 바닥에 생기는 그림자는 점점 짧아져요.

태양은 동쪽에서 떠올라 서쪽으로 지면서 하늘에 커다란 둥근 곡선을 그려요. 이 과정에서 태양이 남쪽 하늘의 한가운데 가상의 선(자오선)을 통과하는 순간을 '남중'이라고 불러요. 이때 태양은 하루 중 하늘에서 가장 높은 자리에 위치하게 돼요.

남중고도는 바로 이 남중 순간에 지평선과 태양이 이루는 가장 높은 각도를 뜻해요. 지평선과 완전히 평평하게 붙어 있으면 0도이고, 머리 꼭대기 정수리에 해가 오면 90도가 돼요. 남중고도가 높을수록 햇빛은 지면을 수직에 가깝게 내리쬐게 돼요.

손전등을 바닥에 수직으로 비추면 좁은 면적에 빛이 집중되어 아주 밝고 뜨거워져요. 반대로 손전등을 비스듬하게 기울여 비추면 빛이 넓게 퍼지면서 같은 면적이 받는 열기는 약해지죠.

지구의 사계절 변화도 바로 이 손전등 원리와 똑같아요. 지구가 똑바로 서서 태양을 도는 것이 아니라 약 23.5도 비스듬히 기울어진 채로 태양 둘레를 공전하기 때문에, 계절마다 태양의 남중고도가 계속 달라져요.

여름에는 우리나라가 있는 북반구가 태양 쪽으로 기울어져 남중고도가 높아지면서 좁은 땅에 강한 햇볕이 쏟아져요. 반면 겨울에는 반대 방향으로 기울어져 남중고도가 낮아지므로 햇빛이 넓게 퍼지고 비스듬히 닿아 기온이 뚝 떨어지게 돼요.

자전축이 기울어진 채 공전하기 때문에 계절마다 남중고도와 낮의 길이가 함께 달라져요. 남중고도가 낮의 길이를 정하는 것은 아니고 둘 다 같은 원인에서 생긴 결과예요. 그래서 우리나라에서는 남중고도가 높은 여름일수록 낮도 길어요.

조금 더 정확히 수학적으로 계산해 보면, 남중고도는 그 지역의 위도와, 기울어진 자전축 때문에 계절마다 달라지는 태양의 위치로 정해져요. 우리나라처럼 북반구 중위도 지역에서는 낮이 가장 긴 하지에는 '90도 - 위도 + 23.5도'가 되고, 밤이 가장 긴 동지에는 '90도 - 위도 - 23.5도'가 돼요.

예를 들어 서울(위도 약 37.5도) 기준으로 여름 하지 무렵의 남중고도는 약 76도로 고개를 한참 들어 올려야 하지만, 겨울 동지에는 약 29도에 불과해요. 이렇게 높이 뜬 햇빛에 긴 낮이 더해져 여름은 덥고, 낮게 비치는 햇빛에 짧은 낮이 겹쳐 겨울은 추워요. 한옥 처마는 계절마다 달라지는 해의 높이를 오랜 경험으로 반영해 만들어졌고, 오늘날 태양광 패널을 설치할 때는 남중고도를 계산해 기울기를 정하기도 해요.