자전축
자전축(自轉軸, Rotation Axis)은 천체(天體)가 자전할 때 중심이 되는 축을 말한다.
개요[편집]
자전축은 천체가 자전할 때 중심이 되는 축을 말한다. 즉, 천체가 자전할 때 중심이 되는 회전축을 말한다. 지구는 이 자전축을 중심으로 약 24시간에 한 바퀴씩 도는데, 북극점에서 보면 시계 반대 방향, 남극점에서 보면 시계 방향으로 돈다. 또한 궤도면에 대해 (반올림해) 대략 66.5도 정도 기울어져 있어 일년 단위로 온도나 계절이 바뀐다. 그리고 태양계 행성들 중 천왕성은 특이하게도 자전축이 궤도상 97.77도로 기울어져 있어 한쪽 극이 거의 태양을 향한 상태에서 돈다. 심지어 금성은 아예 177.4도나 기울어져서 해가 서쪽에서 뜬다.
지구 자전축은 지구의 공전 궤도에 대해 약 23.5도(Axial tilt)가 기울어져 있다. 자전축을 중심으로 지구는 하루에 한 번씩 돌고 있다. 지구 자전축과 북극성은 그 지방의 위도 만큼 경사져 있다. 자전축은 지구 적도와 직각을 유지하고 있으며, 관측자의 머리끝인 천정과 자전축은 '90-위도' 만큼 기울어져 있다. 지구 자전축 경사는 41,000년을 주기로 21.5 - 24.5° 사이에서 변하고 있다. 지구 자전축 경사가 지금보다 커지면 지구에 입사되는 에너지가 증가하게 되어 기후 변화의 요인이 된다. 또한 26,000년을 주기로 자전축이 팽이처럼 회전하는 세차운동이 나타나 약 13,000년마다 경사 방향이 반대로 되어 여름과 겨울의 기온이 변하면서 기후 변동에 영향을 주게 된다. 이처럼 지구 자전축은 지구 기후 변동에 큰 영향을 미치고 있다.
남극과 북극을 연결한 가상의 대원을 시간권이라하고 관측자의 머리와 발끝을 통과하는 대원을 수직권이라 한다. 시간권이면서 수직권인 대원을 자오선이라 한다. 우리는 각 계절마다 새롭게 변하는 자연의 모습을 본다. 이런 계절의 변화는 지구의 자전축이 기울어져 태양 주위를 공전하기 때문에 일어나는 현상이다. 만약 지구의 자전축이 기울어져 있지 않거나, 지구의 자전축이 기울어진 채 공전하지 않고 자전만 한다면 계절의 변화는 일어나지 않는다.[1][2]
자전축 기울기[편집]
자전축 기울기는 천체의 자전축과 공전축의 법선 사이의 각도를 말한다. 천체의 적도면과 궤도면 사이의 각도와 같으며, 적도 기울기라고도 한다. 자전축과 공전축의 방향은 오른손 법칙을 이용하여 정할 수 있다. 천체의 북극 방향에서 바라보았을 때, 반시계 방향으로 자전하며, 마찬가지로 궤도면의 수직 방향에서 바라보면 천체는 반시계 방향으로 공전한다.
공전 방향과 반대로 자전하는 금성의 자전축 기울기는 177.3°의 큰 값을 가진다. 천왕성의 자전축 기울기는 97°로 북극이 공전면에 가까이 누워있다. 지구의 자전축 기울기는 약 23.44°이다. 태양계에서 지구의 공전면은 황도면이며, 지구의 자전축 기울기는 황도 경사각이라고 부른다.
지구의 자전축 기울기는 약 41,013년을 주기로 22° 38'에서 24° 21' 사이에서 변동한다. 다른 천체의 자전축 기울기는 더 심하게 변하는데, 예를 들어 화성의 자전축은 다른 천체의 중력 섭동의 영향으로 11°에서 49° 사이로 변화한다. 지구의 자전축이 상대적으로 안정적인 것은 달의 영향 때문이다.
자전축 상의 북극을 진북(True North)이라고 부른다. 지도에서 가리키는 북쪽은 도북, 나침반이 가리키는 북쪽은 자북이라고 한다. 도북은 구 형태의 지구 표면을 정확히 나타낼 수 없는 평면 지도의 한계로 진북과 다르게 나타날 수 있으며, 자북은 지자기의 극점인데 진북극과 자북극은 1000km 정도가 차이 난다. 따라서 전문가용 지형도에는 여백 한쪽에 진북, 도북, 자북이 전부 나타나있다.
지구상에서 적도 경사각에 의해 발생하는 현상은 아래와 같이 확인할 수 있다.
자전[편집]
자전(自轉, Rotation)은 천체(天體)가 스스로 고정된 축을 중심으로 회전함을 의미한다. 또는 그런 운동을 말한다. 자전은 천체가 자기 자신을 중심으로 회전하는 운동이다. 따라서 천체(天體)가 스스로 고정된 자신의 중심축을 중심으로 회전하는 또는 그런 운동을 가리킨다. 대부분의 천체는 자전하고 있다. 태양이나 다른 항성들은 자전하고 있으며 블랙홀도 자전하고 있음이 확인된 것이 있다. 또한 펄사는 고속으로 회전하는 중성자별로 생각된다. 태양계에 있는 모든 천체들은 자전과 공전을 한다. 태양계뿐만 아니라 다른 항성들이나 떠돌이 행성, 블랙홀 또한 마찬가지다. 심지어 오르트 구름의 창안자 얀 오르트에 의해 은하도 자전과 공전을 하는 것으로 밝혀졌다.
천체의 자전 중심이 되는 축을 자전축이라고 하며, 자전축을 따라 1회전하는 데 걸리는 시간을 자전 주기라고 한다. 이때 자전 주기는 자전 주체가 360도 회전하는 시간이며, 어느 다른 천체를 향해서 같은 방향을 가리킬 때까지의 시간은 아니다. 자전하는 이유에 대한 유력한 가설은 항성과 행성이 형성되었을 때의 흔적이라는 것이다. 이들 천체는 가스 구름이 서로 뭉치면서 형성된 결과물인데 이 가스 구름은 소용돌이 치는 형태로 빙글빙글 돌면서 뭉친다. 마침내 모든 물질들이 뭉치면 하나의 천체가 되는 데 이 천체가 형성되는 과정에서의 빙글빙글 도는 운동을 관성의 법칙에 의해 가지기 때문에 계속 끝없이 돌게 되는 것이다. 초기 가스 구름의 회전이 매우 느리다 하더라도 가스가 뭉쳐 천체가 되는 과정에서 각 운동량 보존 법칙에 의해 회전 속도는 매우 빨라진다. 이를 자전이라고 부른다.[4][5]
특징
지구의 자전은 지구가 남극과 북극을 잇는 선을 축으로 반시계 방향으로 회전하는 현상이다. 밤과 낮이 발생하는 원인이며, 별의 일주운동(diurnal motion)으로 나타난다. 태양을 기준으로 했을 때 24시간마다 한바퀴씩 돌지만, 별을 기준으로 하면 23시간 56분 4초마다 한바퀴씩 회전한다. 자전 속도는 달(the Moon)의 조석력(tidal force) 때문에 계속 느려지고 있다. 원자 시계를 기준으로 하는 현대적 하루를 기준으로 하면 1세기 전 하루의 길이는 현재보다 약 1.7 밀리초 짧다.
필로라우스(Philolaus)처럼 지구가 자전한다고 제안한 고대 그리스 철학자가 없었던 것은 아니다. 하지만 고정된 지구를 중심으로 회전하는 구라고 일주운동을 설명한 아리스토텔레스(Aristotle)의 생각은 서양 세계에서 오랫동안 받아들여졌다. 서기 499년 인도의 천문학자 아리아바타(Aryabhata)가 지구의 자전을 주장하기도 하였고, 중세 아랍 천문학자들은 지구의 자전을 받아들인 것 같다. 서양에서는 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)가 태양중심설을 제안하던 16세기가 되어서야 비로서 지구의 자전이 과학적으로 논의되기 시작했다.
관측적인 면에서는 뉴턴(Issak Newton)이 예측했던 납작한 지구의 모양을 확인한 1730년대 프랑스의 모페르투이(Pierre Louis Moreau de Maupertuis)가 크게 기여하였다. 1851년에 진자의 회전면이 회전한다는 것을 보인 푸코(Jean Bernard Léon Foucault)가 지구 자전의 결정적인 증거를 제시하였다. 지구의 자전 때문에 진자의 회전면이 위도에 따라 다른 속도로 회전한다는 것을 명확하게 증명하였기 때문이다.[6]
지구의 자전
지구의 자전이란 지구가 (북반구에서 남반구를 내려다 보았을 때) 자전축을 중심으로 하루에 한 번씩 서쪽에서 동쪽으로(시계 반대 방향으로) 도는 운동을 말한다. 지구가 자전하는 속도는 어마어마하게 빠르다. 적도 부근에서는 약 시속 1,674km/h이다. 환산하면 약 초속 465m/s, 즉 1초에 465m를 간다. 이는 한 1시간에 15.04°씩 회전하는 것과 같다. 흔히 생각하는 것과 다르게, 지구 자전 주기는 하루 24시간에 약 4분 정도 못 미치는 23시간 56분 4.091초(약 23.9345시간)이다. 왜냐면 자전 한 바퀴와 하루를 혼용해서 쓰긴 하지만 엄밀히 말하자면 둘의 기준이 다르기 때문이다. 자전은 우주 공간의 3차원 좌표에서 지구라는 구체가 1회전 하는데 걸리는 시간이지만, 하루는 지표면의 한 지점에서 보기에 태양이 어제와 같은 위치에 오는 데 걸리는 시간인데(엄밀히 말하면 균시차 등도 고려해야 하나 생략), 지구는 자전과 동시에 공전도 하기에 자전 1회전 후에 공전이 진행된 만큼 약간 더 자전해야만 지표면을 기준으로 태양이 다시 같은 자리에 온다.
또한, 지구의 자전 주기는 100,000년마다 대략 1초 늘어나며, 결과적으로 지구의 시간도 1초씩 짧아진다. 하지만 점점 느려지며 하루는 100년에 0.002초씩 길어진다는 연구결과가 있다. 하지만 2011년 도호쿠 대지진으로 인해 자전 속력이 아주 조금 빨라졌다. 약 70억 년 뒤쯤이면 지구의 자전이 멈춘다는 계산이 있지만, 이건 지구가 존속한다는 전제하에 해본 의미 없는 계산이니 그냥 무시하자. 지구 자전이 멈출 수 있는 시간보다 한참 전에 지구는 증발해서 없어지며, 그 증발하기 수억~수십억 년 전에 이미 그 어떤 생물도 살 수 없는 행성이 되어서 다 죽든지, 다 떠나든지 둘 중 하나가 되어있을 것이다. 다시 말해 지구는 없어지기 전까지 계속 자전한다. 현재 태양의 크기는 지구와 태양 표면 사이의 평균 거리의 약 1% 정도 되지만, 태양 크기는 커지고 거리는 줄어들기에 나중에는 2% 이상이 된다.[4]
자전과 공전 태양계(solor system)에서 지구인의 기준으로 태양 및 태양계의 일부 행성들은 마찬가지로 서쪽에서 동쪽으로(시계 반대방향) 각기 다른 자전주기에서 자전하고 있다. 금성은 이와는 반대로 시계방향으로 자전하고있는 것으로 알려져있다. 한편 자전축의 기울기나 자전의 방향과 자전의 속도는 우주 및 항성 시스템 생성시의 중력과 밀접한 관련이 있지만 이후 추가적으로 다른 우주 운석(space rocks)이나 혜성과의 충돌로 인해서도 영향을 받는것으로 과학자들은 보고있다.[5]
여담[편집]
- 자전축은 항상 고정되어 있지는 않으며 일정 범위 내에서 변화한다. 약 41,000년을 주기로 22.1˚~ 24.5˚내에서 기울기가 변한다.
- 2023년 6월 서울대학교에서 자전축이 변하는 원인으로 지하수의 고갈도 작용함을 발표했다. 인간이 지하수를 사용하면서 해수면 상승에 영향을 미쳤고 이에 지구의 물질량 분포가 바뀌며 자전축이 이동했다는 것. 이게 와전되어서 '자전축이 뒤바뀐다! 이걸 서울대에서 처음 밝혀냈다!'라는 식으로 호들갑을 떨 수도 있는데 앞서 언급했듯이 자전축이 바뀌는 건 오래전부터 알려진 내용이다. 서울대가 발견하고 학계에서 주목하는 부분은 이 자전축이 바뀌는 새로운 원인을 증명한 부분이다.[1]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈자전축〉, 《네이버 국어사전》
- 〈자전축〉, 《천문학 작은사전》
- 〈자전축〉, 《나무위키》
- 〈자전축〉, 《두산백과》
- 〈자전축 기울기〉, 《위키백과》
- 〈자전〉, 《나무위키》
- 〈자전〉, 《위키백과》
- 〈자전〉, 《천문학백과》
같이 보기[편집]
