지구의 기온과 강수 그리고 대기

태양이 지구의 표면을 불균등하게 가열하고 지축이 기울어져 있으므로 지구의 위도별 기후 변이를 예측할 수 있다. 기온과 강수량의 지리적 계절적 변화는 자연사와 육상 생태계의 근본적인 속성에 해당한다. 기후의 몇몇 속성은 지구상에서 예측할 수 있게 변한다. 지구에서 기후 변이의 대부분은 태양이 지구 표면을 불균등하게 가열하기 때문에 발생한다. 이런 불균등 가열은 지구가 구형으로 만들어졌으며, 지축을 중심으로 태양을 돌 때 갖는 각도로 인해 야기된다. 지구는 구형이기 때문에 지구가 태양과 직접적으로 마주한 부분에 태양광선이 집중된다. 하지만 태양이 직접적으로 머리 위에 존재하는 위도는 계절에 따라 변한다. 이런 계절적 변화는 태양의 자전축이 태양을 도는 궤도면에 대해 수직이 아니라 대략 23.5도 정도 기울어져 있기 때문에 나타난다. 이러한 자전축의 기울어짐이 태양 주위를 도는 지구의 전 궤도에 걸쳐 유지되기 때문에 남반구와 북반구가 받는 태양의 에너지양은 계절적으로 변한다. 북쪽이 여름인 동안에 북반구는 태양 쪽으로 기울어져 있어 남반구보다 더 많은 태양에너지를 받는다. 태양이 적도로부터 북쪽으로 가장 많이 기울어져 북쪽 여름이 최고점에 다다르는 시기인 6월 21일 무렵에 태양을 북위 23.5도에 해당하는 북회귀선에 도달하게 된다. 북쪽에서 겨울이 최고점에 다다르는 시기는 12월 21일 무렵으로, 이때 태양은 남위 23.5도에 해당하는 남회귀선에 다다르게 된다. 북쪽이 겨울인 동안에 북반구는 태양으로부터 반대쪽으로 기울어져 있고 남반구가 더 많은 태양에너지를 받는다. 태양은 춘분(3월 21일 무렵)과 추분(9월 22일 무렵)에 적도 바로 위에 존재한다. 그리고 그 시기에 북반구와 남반구는 거의 같은 양의 태양에너지를 받는다. 태양이 수직으로 비추는 위도에 따라 달라지는 이러한 계절적 이동이 계절의 변화를 야기한다. 북반구와 남반구의 고위도 지역에서 태양에너지 공급의 계절적 변동은 겨울의 평균 기온은 낮고 낮에는 짧아지게 하며, 여름의 평균 기온은 높고 낮에는 길어지도록 한다. 중위도에서 고위도에 걸친 많은 지역에서는 강수량에서도 지역에 따라 많은 계절적 변화가 일어난다. 북회귀선과 남회귀선을 지나는 동안 온도와 낮 길이는 계절적 변화가 적었지만, 강수량의 차이는 아주 크다. 강수량의 시공간적 변화를 초래하는 것은 무엇인가? 지구 표면의 대기의 가열은 대기 순환을 유도하고 강수 유형에 영향을 미친다. 태양이 적도 부근의 공기를 가열하면 공기는 팽창되어 상승한다. 이처럼 따뜻하고 습기가 많은 공기는 상승함에 따라 냉각된다. 차가운 공기는 따뜻한 공기에 비해 수증기를 함유할 수 있는 능력이 적기 때문에 상승하는 공기에 의해 운반된 수증기는 응결되고 구름을 형성하게 되어 열대 환경과 관련 있는 많은 비를 내리게 된다. 결국, 적도의 공기 덩어리는 더 이상 상승하지 않고 남과 북으로 이동한다. 공기 중의 수증기가 열대 비로 내렸기 때문에 고위도의 공기는 건조한 상태이다. 공기가 남과 북으로 이동할 때 냉각되어 밀도는 커진다. 결국 이 공기는 약 위도 30도 부근에서 다시 지구의 표면으로 내려와 남과 북으로 이동한다. 이 공기는 대지를 흐르면서 습기를 흡수하게 되고 이 과정에서 사막을 형성한다. 위도 30도에서 적도로 이동하는 공기는 저위도 지방에서의 대기순환을 마치게 된다. 적도를 기준으로 각 반구에서는 3개의 대기 순환 영역이 존재한다. 위도 30도에서 극지방으로의 공기 이동은 중위도 지방의 대기 순환의 일부이다. 남쪽에서 북쪽으로 이동하는 따뜻하고 습한 공기는 북쪽에서 내려오는 차가운 극지방 공기를 만나면서 상승한다. 이러한 공기 덩어리가 상승함에 따라 저위도 사막 지역에서 얻은 습기는 온대지역에서 응결하여 구름을 형성하고 많은 비를 내린다. 온대지역에서 상승한 공기는 상공에서 북쪽과 남쪽으로 흩어진다. 이렇게 해서 중위도와 고위도 지방의 일반적인 대기 순환을 완료하게 된다. 대기 순환의 형태를 통하여 북쪽과 남쪽으로 공기가 이동한다는 것을 알 수 있다. 하지만 우리가 관찰하는 상태인 지구가 서에서 동으로 자전함에 따라 나타나는 지구의 표면 상태를 반영한 것은 아니다. 열대지방에 있는 사람들은 북반구에서는 북동쪽에서, 남반구에서는 남동쪽에서 바람이 불어오는 것을 관찰할 것이다. 이것이 남동 무역풍과 북동 무역풍이다. 위도 30도와 60도 사이의 온대지역에 있는 사람은 바람이 주로 서쪽에서 불어오는 것을 관찰할 것이다. 이것이 바로 온대지방의 편서풍이다. 고위도에서는 대부분의 바람이 동쪽에서 불어온다. 이런 바람은 극동풍이라 한다. 왜 바람은 북쪽에서 남쪽으로 일직선으로 불지 않는 걸까? 대부분의 바람은 코리올리 효과 때문에 북-남의 일직선상으로 움직이지 않는다. 북반구에서 코리올리 효과로 인해 바람의 이동 방향을 오른쪽으로 뚜렷한 편향을 보인다. 그리고 남반구에서는 왼쪽으로의 편향을 보인다. 우리가 지구 표면에서 관찰했을 때만 이러한 바람의 편향 현상을 볼 수 있기 때문에, '뚜렷한' 편향이라 칭한다. 우주에 있는 관찰자가 본다면, 지구가 자전하는 동안에도 바람은 거의 직선 형태로 부는 것처럼 보일 것이다. 하지만 우리는 지구 표면에서 갖는 관점이 생태학적으로 적절한 관점이라는 것을 명심해야 한다. 생물군계는 우리 자신이 가설에 기초한 관찰자인 만큼 땅에 고착한 것에 관한 것이다. 지구에서 그들의 분포는 지구의 기후, 특히 기온과 강수량에서의 지리적인 변화에 의해 크게 영향받는다. 기온과 강수량에서의 지리적인 변화는 매우 복잡하다.