지구의 탄생과 구조에 대해 알아보자

지구는 약 46억 년 전에 태양계 행성 가운데 5번째로 큰 행성으로 탄생하였으며, 인간을 포함하여 수백만 종에 달하는 생물들이 살고 있다. 태양으로부터 3번째에 위치한 지구는 태양과 달을 포함하는 우주의 많은 천체와 상호작용을 한다. 지구는 궤도면에 23.45° 기울어진 축으로 자전하면서 유일한 자연 위성인 달과 함께 태양 주위를 36.26일에 한 번씩 공전하고 있다. 
태양과 함께 조석 현상을 발생시키는 달의 직경은 지구의 14, 질량의 181, 표면 중력은 16 정도이다. 달은 자전주기와 공전 주기가 같기 때문에 지구에서 한쪽 면만 관측된다. 하늘에 보이는 달과 해의 크기가 거의 같은 이유는 달의 궤도 반지름 즉, 지구와 달의 거리가 지구 직경의 약 30배 정도이기 때문이다.

1.2.1. 물리·화학적 구조

지구의 내부는 중심으로 갈수록 온도, 압력 및 밀도가 높아진다. 지하 100km의 온도는 약 1300℃이고, 중심의 온도는 5000℃를 넘는다. 지구 내부의 압력은 중심으로 가면서 거의 일정한 비율로 증가하는데, 맨틀과 핵의 경계에서 약 120 GPa, 내핵에서 약 350 GPa에 달한다.
지구의 물리적 구조는 암석권(lithosphere) 연약권(asthenosphere), 중간권(mesosphere), 외핵(outer core) 및 내핵(inner core)으로 구분된다. 암석권은 지각을 포함하여 약 70km의 두께를 갖는 고체로 매우 딱딱하고 강하게 밀면 부서진다. 지표면으로 열을 발산하기 때문에 고체의 용융점까지는 가열되지 않는다. 연약권 위에서 상대적인 판 운동을 하는 암석권은 몇 개의 지각판으로 분열되어 있으며, 내부의 열은 판의 경계를 통해 지표로 배출될 수 있다. 연약권은 암석권 아래 약 660km까지로 고온이면서 유동성의 층이다. 방사성 물질의 붕괴 에너지에 의해 가열된 지구 내부의 물질을 연성으로 부드럽게 만들어 점성 액과 같이 유동성을 갖게 한다. 중간권은 연약권 아래 약 2900km까지로 지구의 중심에 가까워질수록 견고 해지지만 유동성 성질을 갖고 있다. 외핵은 중간권 아래 약 5100km까지로 철과 니켈의 합금으로 구성된 유동성 액체이다. 외핵의 대류 유동은 지구 자기장의 대부분을 생성한다. 지구 내부의 중심에 위치한 내핵은 철과 니켈의 합금으로 구성된 고체이다. 외핵보다 고온이지만 강한 압력에 의해 고체를 유지한다. 지구는 화학적 성분에 의해 지각(crust)과 맨틀(mantle) 및 핵(core)의 3가지 주요 영역으로 나눌 수 있다. 지구의 표피에 해당하는 지각은 전체 질량의 1250을 차지한다. 규산염 성분의 화강암질과 현무암질로 구성되어 있으며, 3~15 km 두께의 해양지각과 약 70km의 두께의 대륙 지각으로 구분된다. 지각 아래 약 2900 km 두께의 맨틀은 규산염 성분의 감람암질로 플라스틱과 같이 아주 느린 속도의 흐름을 가질 수 있다. 맨틀은 지구 체적의 약 56, 지구 질량의 약 23을 차지하고 지각과의 경계는 모호로비치치 불연속면에 의해 정의된다. 철과 니켈 및 황화합물로 구성된 핵은 약 3500km의 두께로 지구의 중심부에 자리 잡고 있다. 

1.2.2 자전과 공전

 

지구의 자전은 황도면의 수직축에서 23.5° 기울어져 있는 자전축을 중심으로 하여 서에서 동으로, 북극에서 보면 반시계 방향으로 회전하는 현상을 말하며, 자전에 의한 적도의 이동속도는 약 465m/s로 최대 이도 고위도로 갈수록 느려져 극에서는 제자리 운동을 한다. 지구의 자전으로 낮과 밤이 한 번씩 발생하는 평균 태양일은 23시간 56분 4.1초이다. 지구의 공전은 태양을 중심으로 타원 형체의 공전궤도인 황도를 따라 평균 29.783km/s의 속도로 회전하는 현상을 말한다. 공전 주기인 365.256일 동안 태양과 가장 가까운 근일점은 동지로 1.473108km이고, 원일점은 하지로 1.521108km이다.
계절이 생기는 원인은 자전축이 공전 궤도면에 대하여 66.5° 기울어져 있어 태양의 고도에 변화가 생기고 밤과 낮의 길이가 달라지기 때문이다. 동지점에 있을 때 북반구는 겨울이고 남반구는 여름이다. 66.5°N 이북의 북극권에서는 온종일 밤만 지속되고, 66.5°S 이남의 남극권에서는 온종일 낮만 지속된다. 하지점에 있을 때는 동지점에서와 정반대이다. 춘분점에 있을 때 북반구는 봄이고 남반구는 가을이며, 추분점에 있을 때는 춘분점에서와 정반대이다. 춘분 및 추분점에 있을 때 태양은 지평 선상에서 360° 회전한다. 북극에서는 태양이 춘분에 계속 떠 있고, 추분에 계속 져 있는 상태가 된다. 남극에서는 정반대의 현상이 발생한다. 

1.2.3  계절과 기온의 변화

태양의 고도는 지평선으로부터 측정되며 정오에 머리 위에 똑바로 있을 때가 90°이고 이를 태양 직하점(subsolar point)이라 한다. 적도에서의 태양 직하점은 춘분과 추분 날에, 북회귀선에서는 하짓날에 그리고 남회귀선에서는 동짓날에 발생한다. 지구의 자전축이 23.5° 기울어져 있기 때문에 태양 고도의 최대 변화는 47°이다. 예를 들어 적도의 경우, 하짓날에 113.5°이고 춘분 및 추분 날에 90° 그리고 동짓날 66.5°이기 때문이다. 태양의 고도가 높고 낮의 길이가 길수록 일정한 면적에 유입되는 태양 복사 에너지의 양은 많다. 따라서 태양의 고도가 높고 낮이 긴 여름이 태양의 고도가 낮고 낮이 짧은 겨울보다 더운 이유이다.
계절이 바뀌는 이유는 태양의 고도인 천정 각의 변화에 따라 지구에 입사되는 태양 복사 에너지의 양이 다르기 때문이다. 연중 또는 일일의 기온이 가장 높고 낮을 때는  입사 태양 복사량이 최대 및 최저일 때와 일치하지 않는다. 이러한 시차는 입사 태양 복사량과 방출 지구 복사량이 균형을 이룰 때까지 지속해서 가열되거나 냉각되기 때문이다. 연중 입사 태양 복사량이 최대인 달은 6월이고 최저인 달은 12월이지만, 가장 더운 시기는 일반적으로 8월 초이고 가장 추울 때는 2월이다. 
일일의 입사 태양 복사량이 최대인 시각은 정오이지만, 기온이 가장 높은 시각은 통상 오후 2~3시이다. 기온의 상승은 입사 태양 복사량이 방출 지구 복사량보다 커서 대기의 열이 과잉 현상을 보이는 동안 지속되고, 최대 기온은 입사 태양 복사량과 방출 지구 복사량이 균형을 이룰 때 발생한다. 이후 기온의 하강은 방출 지구 복사량이 입사 태양 복사량보다 커서 대기의 열 부족 현상이 발생하는 동안 지속되고, 최저기온은 입사 태양 복사량과 방출 지구 복사량이 다시 균형을 이룰 때 발생한다.