서울시립과학단 SEOUL SCIENCE CENTER

우리는 새가 지저귀는 소리, 자전거 경적 소리 등 다양한 소리를 들으며 하루를 시작하게 됩니다. 이런 다양한 소리는 새벽에 유난히 더 크게 들리는데, 그 이유는 바로 소리의 성질 때문입니다. 소리는 온도가 낮은 쪽으로 휘는 성질이 있어 새벽에는 땅쪽으로 소리가 휘어져 소리가 더 잘 들리게 돼요. 태양은 왜 매일 아침 떠올랐다 저녁에 지는 일을 반복하는 걸까요?
그 비밀은 바로 지구에 있습니다. 바로 우리가 살고 있는 이 지구 말입니다. 우리가 보기에는 태양이 움직이는 것처럼 보이지만 사실 태양은 꼼짝도 않고 제자리에 있답니다. 대신 지구가 하루에 한 바퀴씩 스스로 돌아요. 이것을 ‘자전’이라고 합니다. 자전(自轉), 스스로 돈다는 이야기죠. 지구가 움직이지 않고 가만히 있다면 태양은 항상 같은 곳에서 보일 거예요. 그러나 지구가 매일 한 바퀴씩 돌기 때문에 태양이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 것처럼 보이는 거랍니다.
그리고 한 바퀴 도는 데 24시간이 걸려요. 지구가 한 바퀴 도는 시간을 우리는 하루라고 하지요.
그러나 달의 인력 때문에 지구의 자전 속도가 느려져 하루의 길이가 아주 조금씩 길어지고 있어서 미래에는 하루가 25시간이 될 거예요.

구름은 어떻게 생길까요? 물이 증발하여 생긴 수증기가 하늘로 높이 올라가면, 기온이 낮아져서 공기가 포함할 수 있는 수증기의 양이 줄어들게 되므로 남는 수증기가 서로 엉겨 붙어 다시 작은 물방울로 변하게 돼요. 이 작은 물방울들이 모여서 하늘에 높이 떠 있는 것을 바로 구름이라고 하지요.
맑게 갠 날의 구름은 높이 떠 있고 깨끗한 흰색이지만, 바람이 불면서 비가 올 듯한 날의 구름은 낮게 떠 있고 어두운 회색을 띤답니다. 이걸 보고 구름과 날씨와 관계가 있다는 걸 알 수 있어요.

구름의 양뿐만 아니라 구름의 모양을 보아도 앞으로의 날씨를 알 수 있어요. ‘뭉게구름(적운)’은 아랫부분은 편평하고 꼭대기는 솜을 쌓아 놓은 것처럼 뭉실뭉실한 모양의 구름으로 맑은 날에 잘 나타나는 구름입니다. ‘새털구름(권운)’은 날씨가 맑았다가 점차 흐려지기 시작할 때 나타나는 구름입니다. ‘비늘구름(권적운)’은 작은 구름 조각이 물결이나 비늘 모양을 하고 있는 구름으로 비가 오기 전에 나타나는 구름입니다. 그리고 검은 회색의 두꺼운 ‘비구름(난층운)’은 오랜 시간 계속 비나 눈을 내리는 구름입니다.

구름은 종류에 따라 떠 있는 높이가 다른데요. 새털구름과 비늘구름은 높이 5~13km 사이에 높게 떠 있어 상층운이라 하고, 비구름은 높이 2~7km 사이에 낮게 떠 있어 하층운, 그리고 뭉게구름은 높이 2km에서 꼭대기는 10km에 이를 정도로 위아래로 이어져 떠 있는 수직운 이라고 합니다.

아침에 일기예보를 보신 아버지는 오후에는 비가 내릴 것이니 우산을 챙기라고 하시네요. 하늘을 보니 아버지 말씀처럼 어두운 비구름이 많아 곧 비가 내릴 것 같아요. 비는 어떻게 내리는 걸까요?

먼저, 구름을 만드는 수증기에 대해 알아보아요. 보통 상태에서 물은 액체이지만, 물을 끓이면 수증기가 돼요. 수증기란 기체 상태의 물을 말합니다. 수증기는 무게가 가벼워 공기 중에 섞여 있어요. 그리고 수증기는 색깔과 냄새가 없는 특징이 있습니다. 겨울철 집안이 건조하면 가습기 틀어 수증기를 만들어 주어 집안의 습도를 높여주는 것입니다.

비가 내리기 위해서는 구름이 있어야 하는데 수증기를 포함한 공기가 하늘 위로 올라가면 온도가 낮아지고 어느 온도 이하로 낮아지게 되면 공기 중에 있던 수증기가 응결하기 시작해요. 이렇게 응결하여 만들어진 작은 물방울이 모여서 구름이 만들어집니다.

구름의 크기가 커지면서 자연스레 구름 속에 있는 작은 물방울들도 서로 뭉쳐지게 돼요. 작은 물방울들이 서로 모여 몸집이 커지고 무거워진 물방울은 하늘에 둥둥 떠 있을 수 없어 땅으로 내려가게 됩니다. 이를 ‘비’라고 합니다. 보통 빗방울 1개를 만들기 위해서는 구름을 이루는 물방울 백만 개가 모여야 합니다. 비는 내리는 시기, 형태, 계절 등으로 여러 가지 종류로 나뉠 수 있어요. 여름철 오랫동안 많은 양이 내리는 비를 장마라고 합니다. 단시간에 많은 비가 내릴 경우를 호우라고 합니다. 햇볕이 있는 날 잠깐 내렸다 그치는 비를 여우비라고 합니다.

일 년을 규칙적으로 되풀이되는 자연 현상에 따라서 구분한 것을 계절이라고 해요. 계절은 지역에 따라 여러 가지의 경우로 나눌 수 있는데 우리나라는 봄, 여름, 가을, 겨울의 네 계절로 나눈답니다.

계절은 왜 나누어질까요? 그 이유는 바로 지구의 자전축이 기울어진 채 태양 주위를 돌기 때문이에요. 이 때문에 태양의 남중 고도가 달라져서 계절 변화의 원인이 되는 것이지요. 태양의 남중 고도가 높아지면 기온이 올라 여름이 되고, 태양의 *남중 고도(*태양이 남쪽 하늘 가운데 있어 고도가 가장 높을 때)가 낮아지면 기온이 낮아져 겨울이 되는 것이랍니다. 지구가 멈추지 않는 이상 계절의 변화는 계속될 거예요. 그러나 요즘 지구의 기후 변화로 인해 조금씩 달라지고 있다고 해요. 사계절을 자랑하던 우리나라도 봄과 가을이 짧아지는 등 계절의 변화가 뚜렷하지 않아지고 있어요.

절기는 무엇일까요? 한 해를 스물넷으로 나눈 것으로, 계절의 표준이 되는 것을 말해요. 절기는 해마다 날짜가 조금씩 달라지기도 한답니다. 24절기는 계절의 변화와 기후의 특징을 잘 나타내기 때문에 농사를 짓거나 생활을 할 때 자주 이용할 수 있었답니다.
24절기 중에는 봄, 여름, 가을, 겨울의 시작을 알리는 절기도 있어요. 입춘, 입하, 입추, 입동이 바로 그것이지요. 입춘은 봄의 문턱을 나타내는 절기로, 집집마다 대문에 '입춘대길(立春大吉)'이라는 글귀를 붙이죠. 입하는 여름에 들어섬을 알리는 절기예요. 청개구리가 울고, 지렁이가 땅에서 나오는 시기랍니다. 입추는 가을의 문턱을 나타내는 절기로, 농촌에서는 참깨나 옥수수 등을 수확하는 시기예요. 입동은 겨울의 문턱을 나타내는 절기예요. 겨울이 시작되는 때로, 한 해를 마무리하는 시기랍니다.

1960년도의 점심시간 온도와 2000년대의 점심시간 온도를 비교해 보면 현재의 점심 온도가 훨씬 높다고 해요.
왜 시간이 지날수록 점심시간의 온도가 점점 올라가는 걸까요? 그 이유는 바로 지구온난화의 주범 중 하나인 온실가스 때문입니다.

지구 표면에서 나오는 에너지가 공기 중의 수증기와 이산화탄소 등에 흡수되어 대기권 밖으로 빠져나가지 못하도록 하는 현상을 온실 효과라고 해요. 온실가스는 지구 대기를 오염시켜 온실 효과를 일으키는 가스예요. 온실가스로는 이산화탄소, 메탄, 이산화질소, 프레온, 오존 등이 있어요. 석유, 석탄 등 화석 연료의 사용이 많아지면서 온실가스의 배출이 증가하게 되었어요. 온실가스의 배출량을 줄이기 위해서는 에너지를 절약하고 환경친화적인 상품을 이용해야 해요. 그리고 이산화탄소가 배출되는 화석 연료 대신 태양열, 수력, 지열 등의 신재생 에너지를 사용하면 지구 온난화를 막을 수 있답니다.

지구가 점점 따뜻해지고 있어요. 이산화탄소 같은 온실 기체가 하늘로 올라가 지구를 둘러싸는 바람에 대기의 열이 우주 공간으로 나가지 못하여 지구의 평균 기온이 올라가고 있어요. 이를 '지구 온난화'라고 해요. 지구 온난화를 막으려면 석탄이나 석유 같은 화석 연료의 사용을 줄이고 바람, 전기, 태양열 등을 이용한 대체 에너지를 개발해야 해요. 그리고 숲을 가꾸어야 해요. 숲이 이산화탄소를 흡수해 지구 온난화를 막아 주니까요.

동물과 식물이 활동하는 시간은 모두 같을까요? 동물과 식물은 각자 활동하는 시간이 모두 다릅니다.
동물과 식물은 각자의 특징에 따라 각각 다른 생활습성을 가지고 있어요. 그래서 사람과 다르게 밤에 활동하고 낮에는 자는 생활습성을 가진 동물도 있어요. 이런 특징이 나타나는 이유는 동물들이 생활을 유지하기 위하여 여러 활동을 해야만 하는데 시간도 에너지 등처럼 한정된 자원이어서 어떤 활동에 시간을 분배하는 것은 다른 활동 시간의 삭감으로 이어지기 때문입니다. 또한 생물의 특정한 생리활동이나 행동이 계속 반복되어 주기적으로 반복되어 나타나는 현상을 주기활동이라고 하는데요. 이 주기활동은 크게 하루인 일주기 활동, 활동 시간에 따라 주행성, 야행성, 박명 박노성 등이 있고 월단위로 나타나는 일주기 활동도 있답니다.

밤에 주로 활동하는 동물들은 부엉이, 올빼미, 소쩍새, 박쥐 등이 있고 밤에만 피는 꽃으로는 달맞이꽃, 박꽃, 야래향, 하눌타리 꽃 등이 있어요.

뜨거운 공기는 위로 올라가고 차가운 공기는 아래로 내려가는 성질이 있어요. 바람은 공기가 이동하기 때문에 부는 거예요. 바닷가에서 낮과 밤에 부는 바람의 방향이 반대인 것은 육지와 바다 위의 공기의 온도가 다르기 때문이에요. 낮에는 육지가 바다보다 금방 뜨거워져요. 육지의 뜨거워진 공기는 위로 올라가고 이때 생긴 빈 공간을 바다 쪽에서 이동한 공기가 채웁니다. 공기가 이렇게 이동하면서 바다에서 육지로 해풍이 불어요.
반대로 밤에는 육지가 바다보다 열이 금방 식어 더 빨리 차가워져요. 육지보다 온도가 높은 바다 위의 공기가 위로 올라가면 그 빈 공간을 육지에서 이동한 공기가 채우지요. 그래서 밤에는 육지에서 바다로 바람이 불어요. 사막은 낮에는 온도가 매우 높아 펄펄 끓다가도 밤이 되면 온도가 영하로 내려갈 만큼 추워져요. 그 정도로 땅은 쉽게 데워지고 쉽게 식어요. 이것은 땅의 비열이 작기 때문입니다.

바닷가뿐 아니라 산골 마을에서도 낮과 밤에 부는 바람의 방향이 달라요. 산간 지방에서는 낮에는 산비탈과 골짜기가 뜨겁게 데워져 공기가 산비탈을 타고 올라가며 골바람이 불어요. 반대로 밤에는 산의 정상이 먼저 식기 때문에 차가운 바람이 아래로 내려가며 산바람이 분답니다.

달의 모양은 왜 바뀔까요? 그 이유는 달은 계속 움직이기 때문이에요. 그러나 제멋대로 움직이는 것이 아니라 지구 주위를 일정한 길을 따라 빙글빙글 돌고 있어요. 그래서 달을 지구의 위성이라고 한답니다. 이렇게 달이 지구 주위를 도는 것을 달이 공전한다고 하고, 달이 공전하는 길을 달의 공전 궤도라고 해요.
달이 움직여 태양빛을 받는 부분이 달라지기 때문에, 우리 눈에 달의 모양이 변하는 것처럼 보이는 거랍니다. 우리가 어떤 날은 달의 밝은 면을 보고, 어떤 날은 어두운 면을 볼 수 있는 것이지요. 즉, 달에서 밝게 보이는 부분은 햇빛을 받는 쪽, 지구를 향해 있는 쪽은 햇빛을 받지 못해 우리 눈에 보이지 않는 쪽입니다.

매일매일 달의 위치는 달라진답니다. 한 달 동안 매일 똑같은 장소에서 초저녁 6시에 달을 관찰하면 눈썹 모양의 초승달은 서쪽 하늘에, 반달 모양의 상현달은 남쪽 하늘에, 보름달은 동쪽 하늘에 떠 있는 것을 볼 수 있어요. 그러니까 매일 뜨는 달의 위치가 서쪽에서 동쪽으로 이동하는 것이지요. 모양도 함께 변하면서 말이에요. 그런데 어떤 달이든 동쪽에서 떠서 서쪽으로 진다고도 할 수 있어요. 초승달조차도 말이에요. 하지만 초승달이 뜰 때는 정오이기 때문에 태양빛이 너무 밝아서 달이 보이지 않게 되고, 달을 볼 수 있는 해가 진 후에는 서쪽에 위치하기 때문에 서쪽에서 뜨는 것처럼 보이는 거랍니다.

지구에 하루가 있는 이유는 무엇일까요? 바로 자전 때문입니다. 자전은 천체가 스스로 고정된 축을 중심으로 회전하는 것을 말해요. 태양을 비롯하여 행성, 위성도 자전하고 있습니다.
지구에는 북극과 남극을 이은 가상의 자전축이 있어요. 자전축을 중심으로 해서 하루에 한 바퀴씩 회전하는 것이에요.
지구의 자전 방향은 서쪽에서 동쪽(시계 반대 방향)으로 자전해요. 이 때문에 태양이 동쪽에서 서쪽으로 움직이는 것처럼 보이는 것이에요. 태양이 움직이는 것이 아니라 지구가 스스로 돌면서 낮과 밤이 나타나는 것입니다. 우리나라가 태양빛을 받으면 낮이 되고, 태양빛을 받지 않으면 밤이 되는 것입니다.

지구의 일 년이 있는 이유는 무엇일까요? 바로 공전 때문입니다. 공전은 한 천체가 다른 천체의 둘레를 주기적으로 도는 것을 말해요. 지구를 비롯한 태양계의 행성들은 태양 주위를 공전합니다.

지구는 태양을 중심으로 하여 1년에 한 바퀴씩 서쪽에서 동쪽(시계 반대 방향)으로 회전해요. 지구는 자전하면서 태양을 중심으로 하여 일정한 길을 따라 공전해요. 지구가 공전을 하면 지구의 위치가 달라져요. 달라진 위치에서 보이는 천체는 위치마다 다르답니다. 계절에 따라 별자리가 달라지는 것도 지구의 공전 때문입니다.

경도는 지구상의 위치를 나타내는 좌표의 하나로 지구의 남극과 북극을 지나는 세로로 그어진 경선 사이의 각도예요.

지구의 남극과 북극을 지나는 세로로 그어진 선을 경선이라고 해요. 지구본이나 지도에서 가로와 세로로 그어진 여러 개의 줄을 볼 수 있어요. 가로로 그어진 줄은 적도에서 남극과 북극으로 떨어진 정도를 나타내는 위선이고, 세로로 그어진 줄은 남극에서 북극을 잇는 경선이에요.

경선의 기준은 영국의 그리니치 천문대가 있던 지점이에요. 이곳을 중심(경도 0°)으로 하고 지구를 360등분 하였어요. 그리니치 천문대의 동쪽으로 0~180°까지 위치한 경도는 동경, 서쪽으로 0~180°까지 위치한 경도는 서경이라고 해요. 동경 180°와 서경 180°는 같은 선으로 표시하고 거의 이 선에 따라 날짜변경선이 정해져요.

태양계는 태양의 영향이 미치는 공간과 그 공간에 있는 구성원을 통틀어 이르는 말이에요. 태양계는 태양, 여덟 개의 행성, 행성 주위에 있는 위성, 소행성, 혜성 등으로 구성되어 있어요.

태양은 태양계에서 유일한 별로서 스스로 빛을 내는 천체예요.
태양계 8개 행성에는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 있어요. 행성은 태양 주위를 돌고 있는 천체예요. 위성은 행성 주위를 도는 천체이고, 소행성은 화성과 목성 사이에 있는 수많은 천체들이에요.

이 행성들은 태양 둘레를 돌면서 자전을 하는데, 태양도 시계 반대 방향으로 자전을 해요. 태양은 수성과 금성을 제외하면 다른 행성들보다 훨씬 느리게 자전을 하지요. 모든 행성과 위성은 자전을 하는데, 금성과 천왕성은 공전 방향과 반대 방향으로 자전을 한답니다. 대부분의 위성들이 행성 방향과 같은 방향. 즉 시계 반대 방향으로 돌지만 몇몇 위성은 반대 방향으로 돌기도 해요.

태양계의 행성들은 하루의 길이가 얼마나 될까요? 태양 주위를 돌고 있는 행성들은 저마다 자전하는 데 걸리는 시간이 달라서 하루의 길이도 달라요.
하루가 가장 짧은 행성은 목성으로 자전하는 데 약 10시간이 걸리고, 토성은 10시간 30분 정도 걸려요. 하루가 가장 긴 행성은 금성으로 약 243일이 걸리지요. 화성은 하루의 길이가 24시간 37분 정도로 지구와 비슷해요.