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과학실험나라

세차운동

11,022 2018.08.20 22:29

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........    지구의 세차운동....................................................................연주시차


지구의 운동

자전
지구는 약 23시간 56분을 주기로 자전을 한다. 하루의 시간이 24시간인데 비하여 약 4분이 짧은 이유는 지구가 자전을 하는 동안 공전을 하기 때문이다. 즉 하루란 태양이 남중한 시간부터 다음날 남중할 때까지의 기간을 말하는데, 지구가 자전을 하는 동안 공전을 함으로써 4분정도 더 돌아야 태양이 남중 하게 되는 것이다. 그리고 지구는 약 23.5° 기울어져서 자전을 한다.

공전
지구는 태양으로부터 평균 1억5천만km 떨어져서 1년을 주기로 공전한다. 이심률은 대략 0.017로 타원 형태로 공전을 하며, 태양과 가장 가까울 때는 1억 4,700만km 까지 다가간다. 공전 속도는 약 29.8km/s로 아주 빠르며, 자전축이 기울어져 공전하기 때문에 계절의 변화가 생긴다.

세차운동
세차운동이란 자전하는 물체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상이다. 일상적인 생활에서의 예로 팽이를 볼 수 있다. 회전속도가 줄면서 중력의 영향을 받은 팽이의 회전축은 원을 그리며 돌게 되는 것이다. 팽이뿐만 아니라 지구에서 축을 중심으로 자전하는 모든 물체는 세차운동을 한다. 지구 또한 자전축을 중심으로 자전을 하고 있고, 완전한 구형이 아닌 적도부근이 약간부풀은 회전타원체형태이다. 그리고 태양과 달은 이런 지구에 중력으로 영향을 주고 있어서 지구 자체에도 세차운동은 일어난다.

이 중력은 두 물체사이의 거리와 밀접한 관계가 있으며, 따라서 지구의 부풀은 적도 부근과 상대적으로 많이 상호작용을 하게 되는 것이다. 이것은 기울어진 자전축에 영향을 주고, 결국 자전축 자체가 회전하게 되는 것이다. 실제, 이런 영향으로 인해 춘분점은 매년 약 50.26‘’만큼 황도를 따라 서쪽으로 이동한다. 그리고 지구의 자전축은 약 25770년을 주기로 운동을 하게 된다.

이러한 세차운동을 최초로 발견한 사람은 그리스의 천문학자 히파르코스(hipparchos, hipparchus, hipparcos)로 알려졌다. 그는 황경 180도 황위 0도에 가까운 위치에 있는 처녀자리의 스피카를 사용하여 개기일식 때에 달과 스피카의 각거리를 계산했다. 일식과 월식은 황도(천구에서 태양의 길)와 백도(천구에서 달의 길)의 교차점에서만 일어나기에 일식, 월식 시에 달과 태양은 반드시 황도 상에 있다, 따라서 이때의 스피카와의 각거리는 스피카와 달 또는 태양과의 황경의 차를 의미한다. 히파르코스는 이 황경의 차이를 그의 시대보다 과거의 성표와 비교하여 황경의 값이 변한 것을 발견했다. 그는 스피카 이외의 항성에서도 차이를 발견하였고, 그 차이가 항성의 운동에 의한 것이 아닌 황경의 기준인 춘분점 자체가 이동했기 때문이라고 결론지었다.


연주시차 (공전증거)
연주시차란 지구의 공전운동에 의한 시차로 천체의 천구상의 위치가 공전주기와 같은 주기로 변화해 보이는 현상이다. 여기서 시차란 삼각형의 한 변을 기선이라하고 그 양쪽 끝에서 반대편 점을 바라봤을 때 그 끼인각을 시차라 한다. 그리고 이 삼각형의 기선을 지구와 태양사이의 거리로 계산할 때 그 끼인각을 연주시차라 한다. 이는 지구가 태양을 공전할 때의 일 년 동안 천체를 관측함으로써 시차를 계산하고 그 시차의 절반이 연주시차가 된다.

연주시차의 크기는 지구에서 천체까지의 거리와 관련이 깊어서, 연주시차가 측정되면 지구에서 그 천체까지의 거리를 알 수 있다. 예를 들어 지구에서 천체의 거리가 3.26광년(빛이 1년 동안 간 거리)일 때 연주시차는 1초(1도의 1/3600)가 된다. 천문학자들은 이 거리를 파섹(pc)란 단위로 만들어서 천체의 거리를 나타낼 때 주로 사용한다. 그리고 연주시차의 크기는 매우 작기 때문에 관측이 상당히 어렵다. 지구와 가장 가까운 항성인 프록시마 센타우리(Proxima centauri)도 연주시차는 겨우 0.76초이다. 이것은 대략 270m앞에 있는 물체를 1mm놓았을 때에 발생하는 시차를 관측하는 것과 마찬가지이다.

하지만 대기의 불안정 등에 의해 지구에서 정밀한 연주시차의 값을 측정하기는 쉽지 않다. 결국 우주공간에서 연주시차의 측정을 하기 위해 1989년에 히파르코스 위성이 쏘아졌고, 그 결과 천체까지 거리의 정밀도가 크게 향상되었다.

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