세차운동
세차운동(歲差運動, Precessional motion)은 지구의 자전축이 궤도에 대하여 23도 30초의 기울기를 가지고 자전하는 운동을 말한다. 물리학에서는 물체의 회전축이 회전을 하는 운동을 말하며 기울어진 팽이의 회전축이 만드는 원뿔형의 운동을 말한다. 옆돌기운동이라고도 한다.
개요[편집]
세차운동 또는 옆돌기운동은 회전하는 천체나 물체의 회전축이 도는 형태의 운동이나 그 현상을 말한다. 즉, 강체의 회전운동에서 회전축이 외부 돌림힘으로 인해 비틀어지는 운동이다. 각운동량의 변화에 따라 회전축이 돌아간다. 이 돌림힘은 회전하는 강체를 '쓰러뜨리는' 경우와 '똑바로 세우는' 경우로 나누어서 생각해볼 수 있다. 이 현상은 회전체의 각 운동량에 대해 아주 약한 외력의 모멘트가 수직으로 작용하여 생긴다. 지구의 자전축은 지구 공전궤도면에 대해 기울어져 있고, 극반지름에 비해 적도반지름이 조금 더 큰 회전타원체의 모양을 하고 있기 때문에 하지나 동지에 작용하는 태양의 중력 차이가 지구를 공전궤도면에 대해 수직으로 세우려는 힘으로 작용한다. 이때 작용하는 힘은 지구의 춘분점 방향과 평행하다. 따라서 지구의 회전축은 춘분점 방향으로 기울게 되고, 그만큼 또 이동하므로 이 작용의 반복으로 지구의 자전축은 회전하게 된다. 지구의 경우 이러한 세차운동의 주기는 약 25800년이다.[1][2][3]
상세[편집]
세차운동의 어원과 원인
'precession'이라는 영어는 미리 또는 앞서서라는 의미의 접두어 pre와 진행의 의미를 갖는 cession이 결합한 말로 라틴말 'praecedere'에서 유래한다. 태양이 항성을 기준으로 한 바퀴 돌기에 앞서 분점에 약 50각초 앞서 도달해 있는 현상을 표현한다. 자전하는 지구는 달과 태양으로부터 돌림힘을 받고 있다. 돌림힘이 나타나는 근본적인 원인은지구가 자전에 의하여 적도 부분이 부풀고, 지구의 자전축이 황도면과 백도면에 대하여 기울어져 있기 때문이다. 지구의 자전축에 수직인 면인 천구의 적도면과 황도면이 만나는 교선이 세차에 의하여 달라지므로 지구 자전축의 세차를 춘분점 세차(precession of the equinoxes)라고도 말한다. 관측된 지구의 세차운동의 크기는 1년에 50.25각초이며, 주기는 2만5천772년이다.
춘분점과 적도좌표의 변화
천구에서 항성의 위치를 표현할 때에 많이 사용하는 좌표계가 천구 좌표계이다. 천구 적도좌표계는 지구의 적도면을 연장하여 천구의 적도면으로 삼고 춘분점의 위치를 경도의 기준으로 잡아 항성의 위치를 적경과 적위로 나타낸다. 지구 자전축의 세차 때문에 춘분점의 위치가 시간이 경과하면서 계속 달라지므로 천구의 고정된 위치에 있는 천체의 적경과 적위는 해마다 달라진다. 이에 따라 천구 적도좌표계를 써서 천구의 고정된 위치를 가리키기 위해서는 기준 연도를 정하고 이 때의 춘분점으로부터 적경과 적위를 나타내야 한다.
타원 궤도의 세차운동
회전 운동의 축이 달라진다는 의미를 확대하여 타원 궤도 운동하는 천체에서 타원의 장축 혹은 단축의 방향이 달라지는 운동도 세차라고 부르기도 한다. 행성이 그리는 타원 궤도 장축의 회전은 근일점의 이동과 같은 의미이다. 특히 수성의 근일점 전진은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 뒷받침하는 중요한 천문학적 발견이다. 테일러-헐스 펄사나 혹은 이중 펄사와 같이 중성자별로 이루어진 쌍성계에서는 일반상대론적 효과가 매우 커서 근성점의 세차가 매우 크게 나타난다.
원자의 세차운동
물리학 분야에서는 전자나 핵자의 스핀이 외부에서 가한 자기장에 의하여 회전하는 세차 운동이 중요하다. 특히 핵자 스핀의 세차에 의한 공명 현상을 활용하는 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI)기법은 의료 영상 분야에 널리 활용되고 있다.
세차운동의 역사적 기록
지구 자전축의 세차운동에 대한 기록은 프톨레마이오스가 지은 알마게스트에서 찾을 수 있다. 알마게스트에서는 히파르쿠스를 언급하면서 이미 태양의 항성 주기가, 365.25일을 초과하는 데에 비하여 분점을 기준으로한 회귀년의 길이는 365.25일보다 짧다는 사실이 기술되어 있다.천동설을 확립하여 고대 그리스의 천문학을 집대성한 이 저서에는 히파르쿠스가 저술한 'On the Displacement of the Solsticial and Equinoctial Points'와 'On the Length of the Year'에 대하여 언급되어 있으며, 여기에서 히파르쿠스는 스피카와 레굴루스의 위치가 이전 기록에 대하여 달라져 있음을 알아냈다고 적고 있다. 스피카의 위치가 티코카리스가 남긴 기록과 비교하여 추분점에 대하여 150년 동안 약 2도 움직인 사실을 발견하였다.[4]
물리학[편집]
물리학에서 세차운동(precession)은 회전하고 있는 강체에 돌림힘이 작용할 때, 회전하는 물체가 이리저리 흔들리는 현상을 말한다. 세차운동을 관찰할 수 있는 가장 일반적인 예는 팽이를 돌릴 때, 회전 속도가 줄면서 팽이의 축을 중심으로 한 팽이의 회전이 아닌 축 자체가 팽그르르 도는 것이다.
팽이뿐만 아니라 특정 축을 중심으로 자전하는 물체는 중력이 작용하는 지구상에서 모두 세차운동을 할 수 있다. 회전하는 팽이가 세차운동을 할 때에, 팽이의 회전축은 물체의 회전 시계 빙향으로 돌게 된다. 세차운동 동안 회전속도와 작용하는 돌림힘이 일정하다면, 축이 이동하는 속도는 돌림힘과 각속도(회전축의 방향)와 계속 직각이 되어 회전하는 축이 그리는 자취는 원뿔이 된다.
옆에 그림처럼 팽이의 축이 완벽히 중력 방향이 아니고 약간 기울어져 있다면, 중력은 팽이를 넘어뜨리려고 잡아끈다. 이 힘은 팽이의 아랫쪽 끝을 축으로 무게중심을 아랫쪽으로 돌리려는 토크로 작용한다. 그러나 팽이는 기울어진 방향으로 그대로 넘어지지 않고, 기울어진 축만 회전하게 된다.[2]
지구의 세차운동[편집]
지구도 회전하는 강체로 볼 수 있기 때문에 세차운동이 생긴다. 지구는 극반지름에 비해 적도반지름이 조금 더 큰 회전타원체 모양을 하고 있다. 부풀어 오른 부분을 벌지(bulge)라고 한다. 거리가 멀어질수록 작아지는 중력의 특성 때문에 태양의 중력은 태양을 향한 쪽 벌지에서 더 크게 작용하게 된다. 지구의 자전축이 지구의 공전궤도면에서 기울어져 있기 때문에 하지나 동지 무렵에는 벌지에 작용하는 태양의 중력 차이가 지구를 공전궤도면에 수직으로 세우려는 힘(돌림힘)으로 작용하게 된다. 회전하는 계에 돌림힘이 작용하면 돌림힘 방향의 각운동량을 더하게 된다.
지구의 경우에는 태양과 지구의 벌지 때문에 생기는 돌림힘은 춘분점 방향과 평행하므로 지구의 회전축은 춘분점 방향으로 기울게 된다. 그만큼 춘분점은 다시 이동하게 되어 같은 작용이 반복되므로 지구 자전축은 회전하게 되는 것이다. 한 세기 동안의 관찰 결과에 의하며 춘분점은 일년에 50.3초만큼 이동하며 360도를 이 값으로 나누면 주기는 약 25,765년4개월27일 정도가 된다. (일반세차의 영향으로 지구의 자전축이 천구를 한바퀴도는 데 걸리는 시간이 대략 25800년이라고 서술된 책이 많은 데, 이는 2000.0년기준의 세차상수(5028.796195" /36525일당)를 기준으로 역산한 값으로 근사치일 뿐이며, 실제로 더 정확한 값을, J.Laskar, F.Joutel, F.Boudin(1993)의 "Orbital, precessional and insolation quantities for the Earth from -20Myr to +10Myr"의 데이터를 기준으로 구해보면, 2000.0년 기준으로 25436년 224일 16시간(25436.61511년)이 된다)
19세기 전반기에 행성들도 지구의 세차에 영향을 미친다고 결론내려졌다. 19세기 후반에 태양과 달의 중력에 의한 세차를 일월세차라 명명했고, 행성의 중력에 의한 세차를 행성 세차라 명명했다. 그리고, 그 두 요소의 합을 일반세차라고 불렀다. 현재 일월세차는 행성세차보다 약 500배 더 큰 것으로 알려져 있다. 지금의 지구 자전축은 작은곰자리의 알파별을 향하고 있지만 기원전 15세기의 이집트 사람들이 관찰할 당시에는 용자리의 알파별이었다. 그리스의 히파르코스는 기원전 120년에 이전 천문학자들의 관측과 자신의 관측을 종합하여 세차운동을 발견하였다.[2]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
