태양계 이야기 29 - 달 1

 1. 달의 일반적인 특징

 달은 지구에서 가장 가까운 천체로 지구와 가까이 존재하는 거대한 위성이기 때문에 태양과 더불어 인간과는 가장 밀접한 관계를 가지는 천체이다. 오랜 세월 많은 사람들에게 신화와 전설의 대상이었던 달은 근대이후 중요한 과학적 탐사 대상이었으며, 더 나아가 인류가 갈 수 있었던 우주의 유일한 지구 이외의 천체이기도 하다.

 달은 지구에서 평균 384,399 km  떨어진 지점을 돌고 있다. 가장 멀어질 때는 405,696 km, 가장 가까이 올때는 363,104 km 이며, 궤도 이심률은 0.054 으로 약간 타원 궤도를 돌고 있다.

 공전 주기는 27.322 일로 27 일 7 시간 43.1 분 마다 지구 주위를 한번씩 돌고 있다. 이는 1초에 1022m 를 움직이는 것과 비슷한 속도이다.

 크기는 지구의 1/4 사이즈이다. 평균 반지름은 1737 km 로 (지름 3474 km) 지구 반지름의 27.3% 정도에 해당 한다. (적도 반지름은 1738km 이다) 표면적은 3973 만 ㎢ 에 달해 남북 아메리카 대륙을 합친 것 보다 약간 작은 면적을 가지고 있다. 지구 전체 표면적과 비교했을 때 7.4 % 이다. 부피는 지구의 2% 이며, 질량은 지구의 1.2% 정도이다. 다른 말로 하면 부피는 지구의 49분의 1이며, 질량은 81.3 분의 1이다.

 달의 밀도는 3.34g/cm³  로 지구의  5.52g/cm³ 에 비해서 다소 낮다. 달의 밀도는 지구의 지각을 구성하는 물질과 비슷하다고 생각된다. 대략 지구의 60% 정도 밀도이다. 표면의 중력은 지구의 1/6 정도로 적도 중력 가속도는 1.622 ㎨ 이다.

2. 달의 공전과 자전

 지구에서 보기에 달은 한쪽 면만 보인다. 이는 달이 자전 주기와 공전 주기가 같기 때문이다. (27.32일) 이것은 달이 지구에서 가깝기 때문에 지구 중력의 영향으로 등주기 자전 (Synchronous rotation) 을 하기 때문이다.

 이 등주기 자전을 설명하면 지구에서 볼때 달이 공전하므로써 30도 정도 옆으로 이동하면 달 자체도 30도 정도 자전해서 매번 같은 면만 보여준다는 것이다.  이와 같은 원리로 달의 표면 무늬는 지구에서 보면 항상 그 모습이 똑같고, 지구에서는 절대 달의 뒷면을 볼 수 없다.

(달의 정면, 지구에서 보이는 모습 : This file is in the public domain because it was created byNASA  )

(90도 동쪽에서 본 모습 : This file is in the public domain because it was created by NASA)

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

(서쪽 90도에서 본 달 :  This file is in the public domain because it was created by NASA )

 이러한 등주기 자전이 생기는 원리는 물론 지구의 중력의 간섭때문이다. 본래 과거에 달은 지금보다 훨씬 빨리 자전했을 것이다. 그러나 지구의 중력으로 인한 조석 작용으로 점차 속도가 느려지다가 자전과 공전이 같은 주기가 되는 정도까지 느려지게 된다. 이런 현상은 지구와 달 말고도 다른 행성과 위성의 자전에서도 볼 수 있다.

 그러나 명확히 말하면 지구에서 볼 때 달의 50% 만 보는 것은 아니다. 나중에 설명할 칭동현상 때문에 실제로는 달 표면의 59%를 지구에서 볼 수 있다. 아래의 사진을 참조하자.

(달의 위상변화를 연속 그림으로 본 것임. 나중에 설명할 달의 칭동 현상 때문에 이런 움직임이 나온다. 저자에 의해서 public domain 으로 공개됨. 저자 : Tomruen)

 달은 지구 주위를 27.3일에 한번씩 돌지만 지구와 달 자체가 태양의 주위를 공전 중이기 때문에 이에 의해서 달의 위상 변화는 29.5일에 한번씩 일어난다. 초승달 - 상현달 - 보름달 - 하현달 - 그믐달 그리고 다시 초승달의 위상 변화가 29.5일에 한번씩 일어난다는 이야기다. 이 주기를 삭망월이라 한다.

(달의 위상 변화 - 달이 지구 주위를 일주하는 동안 지구도 태양 주위를 27도 돌기 때문에 달이 이 위치를 따라 잡아 지구에서 볼 때 같은 정도로 태양빛에 반사되려면 2일을 더 돌아야 한다. 따라서 달의 공전 주기는 27.3일이지만 삭망주기는 29.5일 정도이다. CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시 : 저자 : Fresheneesz/Miljoshi)

 달은 엄밀히 말하면 지구의 적도위를 돌고 있는 것은 아니다. 지구 자체가 황도면에 대해서 기울어져 돌고 있는데, 달도 지구에 대해서 약간 기울어져 돌고 있다. 그러나 그 각도는 6.68도로 지구에 비하면 작은 편이다. (아래 그림 참조)

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

 달의 공전 궤도와 이로 인해 일어나는 현상들은 나중에 다시 설명하고 여기서는 간단한 특징들만 설명하겠다.

 달은 지구에서 가까운 편이고 다른 행성들과 비교할 때 그 크기의 차이가 매우 적기 때문에 사실상 쌍성계에 가까운 천체라고 할 수 있다. 명왕성과 카론이 발견되기 전까지 과학자들은 지구 - 달이 태양계에서 가장 쌍성계에 가까운 천체라고 생각했다.

 본래 두개의 천체가 서로 중력에 이끌려 공전할 경우 두 천체의 무게 중심 주위를 공전하게 되어 있다. 지구 - 태양 이나 아니면 다른 행성들에서 볼수 있듯이 크기 차이가 많이 나는 천체들은 사실상 지구가 태양 주위를 돈다든가, 토성 주위를 타이탄이 돈다든가 하는 이야기가 성립된다. 두 천체의 질량 중심은 큰 천체 안에 있어 밖에서 본다면 사실상 작은 천체가 큰 천체 주위로 원운동을 하게 된다.

(이 그림은 다소 과장된 것이지만 지구 - 태양 같이 질량 차이가 많이 나는 경우 이렇게 + 로 표시된 질량 중심이 큰 천체의 중심에 가까이 있다. 다만 큰 천체도 조금은 움직인다. 따라서 이런 움직임을 포착해서 외계 행성을 탐사하는 것이다. 이 그림은 저작자 Zhatt에 의해 퍼블릭 도메인으로 공개된 그림입니다.  )

 반면 거의 비슷한 경우이긴 하지만 지구 달과 같이 질량 차이가 비교적 작은 경우 질량 중심이 지구 중심에서 다소 멀리 있기 때문에 지구와 달 모두가 질량 중심을 주위로 움직임을 보이게 된다. 다만 지구 - 달의 질량 중심은 지구 내부에 있다.

(달과 지구의 경우 :  +로 표시된 질량 중심으로 지구와 달 모두가 돌고 있다. 따라서 행성 위성계가 아니라 쌍성계로 보는 의견도 있었다. 그래도 여기까지는 달이 지구 주위를 돌고있다고 볼 수 있다. 이 그림은 저작자 Zhatt에 의해 퍼블릭 도메인으로 공개된 그림입니다. )

 이에 비해서 명왕성 카론계는 거의 쌍성계에 가까운 경우이다. 카론이 명왕성의 위성인지 동반성인지에 대해서는 아직도 의견이 완전히 정리되지 못했다.

(명왕성 - 카론계의 경우 아예 질량 중심이 천체들의 밖에 있다. 이 경우는 거의 쌍성계에 가깝다. 이 그림은 저작자 Zhatt에 의해 퍼블릭 도메인으로 공개된 그림입니다. )

 아무튼 지구 - 달 의 경우는 달이 지구의 위성이라고 말하기에 큰 무리가 없다고 생각한다. 다만 태양계에서 모행성과 위성의 크기 차이가 가장 작은 경우라고 할 수 있다. 사실 지구는 태양계 8개 행성 중 5번째로 크지만 위성인 달 역시 태양계에서 5번째로 큰 위성으로 지구의 덩치에 비해서 크고 아름다운 위성을 가진 셈이다. 나름대로 지구가 횡재했다는 느낌이랄까 ? 왜 이런 횡재를 했는지는 다음에 이야기할 예정이다.

 출처 : Wiki/NASA

 (다음에 계속됩니다)