태양계 이야기 33 - 달 4

7. 달의 궤도

  달의 궤도는 앞에서도 약간 이야기 했지만 생각보다 훨씬 복잡하다. 일단 달 자체가 지구 중심을 돈다기 보다도 지구와 달의 질량 중심을 가운데 두고 공전하고 있다. 이 질량 중심은 지구 중심에서 약 4700km 떨어진 지점이다. (달리 이야기하면 지표에서 1700km정도 깊이에 있다) 

(달과 지구의 경우 :  +로 표시된 질량 중심으로 지구와 달 모두가 돌고 있다. 앞서 본 그림이다 이 그림은 저작자 Zhatt에 의해 퍼블릭 도메인으로 공개된 그림입니다. ) 

 달의 공전 궤도는 일단 타원이지만 여기에 영향을 미치는 요소들은 또 있다. 그것은 앞에서 이야기 했듯이 달의 공전 궤도면이 지구가 태양주위를 도는 궤도면인 황도에 대해서 약 5.14 도 (5° 9' 기울어졌다는 것과 같은 뜻이다. ' 는 60 등분한 것임) 정도 기울어져 있다는 것이다.

(달과 지구의 공전 및 자전 : This file is in the public domain because it was created by NASA.)

 달의 공전 궤도과 이렇게 태양 - 지구 공전 궤도면과 일치하지 않고 약간 기울어져 있기 때문에 일식과 월식이 자주 일어나지 않으며, 우연히 지구,달,태양의 위치가 일직선의 위치에 놓이는 경우에만 일식과 월식 현상이 일어난다. 아래 그림을 보면서 설명하겠다.

 (이 모식도는 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 : 저자  Geologician )

 황도면과 달의 공전궤도는 이렇게 5° 9' 정도 기울어져 있다. (그림에서는 5° 8' 로 표시, 반올림차이인듯)  여기서 S 는 태양, E 는 지구, M 은 달이다.

 그림에서 X1 과 X2 는 달이 지구에서 가장 가까워질때인 근지점과 가장 멀어진 때인 원지점 사이를 이은 선은 Line of aspides 이다.

 AN 과 DN 는 각각 승교점과 강교점으로 부르며 달의 궤도가 황도면과 마주치는 점이라고 할 수 있다.

 일단 여기까지 용어를 설명하고 달의 움직임을 설명하면...

 달이 한바퀴 공전하여 승교점에서 다시 승교점 (AN) 으로 돌아오는 시간은 27.2122 일이다. 이를 draconic month 혹은 nodal month 라고 부른다. 이 draconic month 는 일정하다. 그러나 교점들 - 즉 승교점과 강교점의 위치는 변하게 된다.

 사실 지구와 달 이외에 다른 천체가 주위에 없다면 승교점과 강교점의 위치는 영원히 변하지 않을 것이다. 그러나 지구와 달 모두 태양의 강한 중력장 안에서 움직이고 있다. 달이 태양 쪽으로 가까워 지고 멀어짐에 따라 그 중력의 세기도 차이가 나게 된다. 이 태양의 차등 중력(differential force)은

 1) 달의 공전 궤도를 지구-태양 쪽으로 늘어나게 한다.
 2) 달 궤도의 근지점을 8.85년 주기로 동쪽(순행 방향, 반시계 방향)으로 이동시킨다. (Line of apside 도 같이 한바퀴 돌게 된다)
 3) 경사진 궤도면에 회전 능률을 작용시켜 교선(달의 궤도면과 황도면이 만나서 이루는 선)을 18.6년의 주기로 황도를 따라 서쪽(시계 방향)으로 돌게 한다. 이에 따라 승교점과 강교점도 18.6 년 주기로 황도를 한바퀴 돌아 원점으로 돌아온다.

 이와 같이 태양 - 지구 - 달의 움직임은 복잡한 움직임을 보이게 된다. 그리고 이런 복잡한 움직임 속에서 나타나는 특이한 현상이 바로 칭동 현상과 일식과 월식이다.

 칭동 현상 (Libration)

: 앞서 이야기한 달의 등주기 자전 때문에 지구에서는 달의 한쪽만을 볼 수 있다. 그러나 이것이 지구에서 달의 50%만 보인다는 뜻이 아니다. 달의 칭동 현상 때문에 우리는 남북, 좌우를 약간 더 볼 수 있기 때문에 59%를 지구에서 관측 가능하다. 이 칭동 현상은 갈릴레이가 처음 발견했다고 한다.

 달의 칭동은 달의 궤도면이 적도면에 기울어졌기 때문에 생기는 기하학적 효과로 나타난다. 달은 매우 균일한 속도로 자전하고 있지만, 이심 궤도의 속도는 궤도면에서 약간씩 변화한다. 이러한 변화로 약 6°17′의 동서 방향 진동, 즉 '경도의 칭동'을 관찰하게 된다.

 또 달의 공전 궤도면은 황도와 5°9′ 기울어져 있다. 그러므로 우리는 약 6°41′의 남북 방향 진동, 즉 '위도 칭동'을 관측하게 된다. 결론은 앞에서 봤던 아래 그림이다.

(달의 칭동 현상. 이는 달이 타원궤도를 도는 데다, 위치가 지구에서 미묘한 각도에 있기 때문에 생긴다. 저자에 의해서 public domain 으로 공개됨. 저자 : Tomruen) 

 근지점과 원지점

: 달은 생각보다 큰 0.0549 의 이심률의 타원 궤도를 돌고 있다. 따라서 달은 지구에서 평균 384,399 km  떨어진 지점을 돌고 있지만 원지점은 405,696 km, 근지점은 363,104 km 라는 비교적 큰 차이를 보인다. 따라서 지구에서 본 크기도 육안으론 눈치 채기 어려워도 사실 근지점과 원지점에서 크기가 변한다. (그리고 이 거리도 약간 씩 변할 수 있다)

(원지점과 근지점에서의 달의 육안적 크기 차이 CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시  저자 Tomruen  )

 8. 일식과 월식

 일식과 월식 모두 달과 지구, 태양의 위치에 의해서 일어나는 현상이다. 달이 없다면 두 현상 모두 일어날 수 없는 일이다. 그리고 달까지의 거리도 중요한데, 이 적당한 거리에 있는 달 때문에 지구에서 볼 때 달의 시직경이 태양과 비슷하여 태양을 가릴 수 있는 것이다.

 재미있는 것은 지구 - 태양 거리가 지구 - 달 거리의 400배에 달하고, 달과 태양 사이의 지름 차이가 400배 정도 차이가 난다는 우연의 일치 때문에 지구에서 본 두 천체의 지름이 비슷해서 일식이라는 현상이 일어날 수 있는 것이다.

 일식 (Solar Eclipse)

 : 이는 달이 지구 주위를 도는 궤도면 (백도)와 지구가 태양 주위를 도는 궤도면 (황도) 가 서로 일치하는 지점에서 일어난다. 간단히 말해 달이 태양을 가리는 현상이다. 이는 초승달 (New moon) 일 때만 일어난다.

(일식의 원리 : 이 파일은 public domain 입니다. 저자 Sagredo, translated by Kang Byeong Kee )

  

  

 태양의 궤도인 황도과 달의 궤도인 백도가 5. 14 도 정도 기울어져 있고, 지구 자전축도 23도 기울어져 있다. 아래 두 그림을 비교해 보면서 이를 설명하겠다.

(모식도 1  천구상에서의 백도와 황도의 변화, N1,N2 가 강교점,승교점이다 : This work has been released into the public domain by the copyright holder. This applies worldwide.)

 (모식도 2  CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 : 저자  Geologician )

 앞에서 본 설명을 다시 떠올리면 천구 상에서 태양이 지나가는 황도와 달이 지나가는 백도는 5.14도 (= 5° 9' ) 기울어져 있다. 이 두 궤도의 교점에서 태양과 달이 마주치면 일식과 월식이 일어난다.

 앞서 설명했듯이 황도와 백도의 교차점인 교점 (승교점/강교점) 매년 서쪽으로 조금씩 움직이며 18.6년 마다 한번씩 일주하게 된다. 달이 교점에 위치해 있을 때 태양의 위치가 이 교차점에서 18.31도 이상 떨어져 있으면 일식은 일어나지 않으며 15.21 도 이내에 있으면 반드시 일어난다. (모식도 1 참조) 개기 일식이나 금환 일식의 경우 태양이 교점에서 9.55도 이내에 있어야 한다.

 모식도 2 에서 승교점과 강교점의 위치는 태양 - 달 - 지구의 일직선을 이루지 못한다. 이 경우가 바로 달이 교점에 있어도 태양의 위치가 교점에서 벋어나 있어 일식이 일어나지 못하는 경우다. 그러나 이 모식도는 교점의 위치를 한 지점에서만 설명한 것이고, 교점은 계속 움직인다. 이 승교점과 강교점의 위치가 90도 회전한다면 달이 교점에 있을 때 태양과 위치가 겹쳐 일식이 일어날 수 있다.

 또 달이 지구를 도는 궤도는 완전히 원궤도가 아니며 지구와 달의 거리도 다소 변하기 때문에 달이 완전히 태양을 가리기도 하고 완전히 가리지 못하기도 함에 따라 일식의 모습도 달라진다. 이를 테면 달이 지구에서 가까워서 태양을 완전히 가리면 개기 일식이 되지만, 달이 멀어지면 테두리가 반지처럼 남는 금환식이 된다. 일식의 종류는 다음과 같다.

 개기일식 (total eclipse) : 달이 태양을 완전히 가리는 현상. 달의 각크기가 태양의 각크기보다 크거나 같을 때 일어난다.

(개기 일식 : 1999년 프랑스에서 관측한 사진 : CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시, 저자  : Luc Viatour)

 그리고 개기 일식의 GIF 파일이다.

(개기일식의 연속 사진 : CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시 저자 : Pkpat2011 )

 금환 일식 (Annular eclipse) : 달이 태양을 완전히 가리지 못해 태양 주변부가 반지처럼 나타나는 경우이다. 달의 각크기가 태양의 각크기보다 작은 경우이다.

(금환일식 : This file is in the public domain because it was created by NASA)

 금환 개기 일식 (Hydrid eclipse) : 이것은 태양의 각크기가 달의 각크기와 거의 같아서 지역에 따라 일부에서는 개기 일식이 되고 일부 지역에서는 금환 일식이 되는 현상이다.

 부분 일식 (Partial eclipse) : 달이 태양의 일부만을 가리는 현상. 이는 금환일식이나 개기 일식이 일어나는 지역보다 밖에서 일어나는 일이다.

(부분일식(C)과 개기일식(A), 금환일식(B) 이 일어나는 원리를 간단히 설명했다. CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시  (AUTHOR: Francisco Javier Blanco González COUNTRY: España -Kingdom of Spain- IMAGE: tipos de eclipses solares -solar eclipses- Image made by Paint, and x2y))

 참고로 살펴볼 동영상 몇개를 가져왔다.

http://www.youtube.com/watch?v=RiFUWEYfTxw&hl=ko (2009년 개기 일식)

http://www.youtube.com/watch?v=lps0j2xpye0 (ISS, 국제 우주 정거장에서 찍은 일식의 모습. 거대한 달의 그림자가 인상적)

http://www.youtube.com/watch?v=SlM1KVVwhUE&NR=1 (나사의 우주 탐사선에서 보낸 일식 - 지구에서 본 것과는 달리 달의 시직경이 작다. 달과 태양의 크기 차이와 달 태양 거리가 달 지구 거리의 400배 인 우연 때문에 개기 일식이 일어날 수 있다는 것을 보여주는 동영상)

 월식 (Lunar Eclipse)

 월식은 물론 지구가 달을 가릴 때 발생한다. 다른 말로 이야기 하면 달이 지구에 그림자에 들어갈 때 발생한다. 그 원리는 앞서 설명한 일식의 순서에서 태양 지구 달의 순서로 위치가 바뀌는 것이고, 역시 교점에서, 태양과 달이 근처에 있을 때 월식이 발생한다.

(월식을 설명하는 그림. 달이 지구의 그림자에 들어감에 따라 개기 혹은 부분 월식이 나타난다. 이 파일은 public domain 으로 공개됨. 저자 : Sagredo)

 대기 이 월식도 보름달일때 발생한다. 달이 완전히 가려지면 개기 월식, 부분만 가려지면 부분 월식이라 하며 지구의 그림자가 월등히 크기 때문에 반지 모양의 금환 월식은 일어나지 않는다. 월식때의 특징은 지구 대기의 산란으로 인해서 달이 붉게 보인다는 점이다.

(부분 월식 사진 : 저자에 의해 public domain 으로 공개됨  저자 SockPuppetForTomruen  )

(개기 월식 당시 망원경으로 찍은 달 - 지구 대기의 산란으로 붉게 보인다. 태양빛에 가려도 달은 지구의 빛에 반사되어 희미하게 빛나기 때문에 사실 월식 때는 완전히 어두워지는 것은 아니다. 이 파일은 public domain 입니다)

http://www.youtube.com/watch?v=2dk--lPAi04&hl=ko (개기 월식의 동영상)

출처 : Wiki/NASA

 (다음에 계속됩니다)