달의 기원과 운동주기

[유토피아]

지구의 위성인 달을 보며 사람들은 낭만, 공포, 신비, 미신, 예언 같은 상징들을 흔히 떠올린다.

서양에서 달은 흔히 재앙과 어둠 등을 상징했으나 한국을 비롯한 동양에서는 달의 변화를 바탕으로 한 음력을 사용하는 등 생활과 밀접한 천체로 여겼다.

달에 상징적인 의미가 있든 없든, 달의 인력은 지구에 영향을 미치는데, 이 인력이 조석을 일으키기 때문이다.

달과 지구의 거리에 따라 달이 지구에 미치는 인력의 세기가 변하므로 만조와 간조의 규모도 달라진다.

                                                                 달(Moon)

                                             ⓒ Gregory H. Revera/wikipedia | CC BY-SA 3.0

달의 공전 자전속도는 평균 공전 속도1.022 km/s

지구의 유일한 자연 위성. 평균 약 38만4,400㎞ 거리에서 지구 주위를 서에서 동으로 공전한다.

달의 크기는 지구의 1/3보다 작으며, 지구의 극지름이 12713 적도 지름이 1275712㎞인데 비하여  적도지름은 약 3,476㎞ 정도이다.  12713/3476=3.6573647871( 57)   12756/3476=3.669735328) (52)

질량은 지구의 1/81.3( 0.012300123)에 불과하며, 지구의 밀도가 5.52g/㎤인 데 비해 달의 밀도는 약 3.34g/㎤이다.

(밀도비율5.52/3.34=1.6526946108) (48)

달은 태양빛을 반사해 빛을 내지만 반사율(albedo), 즉 받은 빛을 반사하는 비율은 0.073에 불과하다.

달의 밝기는 주로 달표면의 기복과 이로 인해 생기는 그림자의 양에 따라 달라지므로 위상 주기에 따라 변한다.

달의 운동

달은 자전축을 중심으로 27.3일 만에 1바퀴씩 자전하는데, 이 주기는 달이 지구 주위를 1바퀴 공전하는 시간과 같다. 따라서 지구에서 볼 때 달은 거의 같은 면만 보이게 된다. 실질적인 자전율은 일정하나 달이 매일 움직이면서 그리는 호(弧)의 길이는 약간씩 변한다. 따라서 달이 지구를 향하는 면도 호의 길이에 따라 달라져서, 지구에서 볼 때 달의 구면은 달의 공전주기와 거의 같은 주기로 약간씩 진동하는 것처럼 보인다. 이같은 겉보기 진동을 광학칭동(光學秤動)이라고 하며 그 양은 보통 6~7°이다.

달의 관측

달 표면은 1609년 갈릴레오가 처음 관측한 이래 줄곧 망원경의 연구 대상이 되어왔다.

달 표면을 자세히 그린 초기의 월면도 중 하나는 폴란드의 천문학자 요한네스 헤벨리우스의 저서인 〈월면학(Selenographia)〉(1647)에 실려 있다.

이탈리아 예수회의 천문학자 G. B. 리치올리는 자신의 저서 〈새로운 알마게스트(Almagestum novum)〉(1651)에서 달표면의 어두운 지역을 바다(mare)로 표현했는데, 이들 가운데 '비의 바다(Mare Imbrium)'나 '감로주의 바다(Mare Nectaris)' 등과 같이 환상적인 이름을 썼다.

오늘날에는 달표면에 물이 전혀 없다고 알려졌으나 이같은 이름은 계속 쓰이고 있다.

위에 기술된 저서들이 발표된 뒤 수세기를 거치면서 더욱 상세한 월면도가 제작되었고, 마침내는 달사진이 제작되기에 이르렀다. 1959년에 와서는 소련(현 러시아)의 우주탐사선이 지구에서 볼 수 없는 달 뒷면 사진을 촬영했다.

1960년대말 미국의 달궤도선(Lunar Orbiter)은 지구에서 보이는 면과 그 뒷면을 포함한 달표면 전체를 근접촬영했다.

지형의 특징

달에서 눈에 가장 잘 띄는 구조는 구덩이(crater)이다(→ 운석구덩이). 이들 구덩이는 지름이 약 200㎞ 혹은 그 이상 되는 것도 있으며, 달표면에 매우 많이 흩어져 있으며 종종 서로 겹쳐 있기도 한다. 큰 구덩이의 대부분은 운석(隕石)이 빠른 속도로 달표면과 부딪쳐 생겨난 것이다. 그러나 지름이 1㎞이하인 작은 구덩이는 화산폭발로 생겨났을 수 있다.

둘레에 고리가 있는 구덩이도 많이 있으며, 이같은 고리는 일반적으로 주변보다 약 1.5㎞ 정도 높이 솟아 있지만 때때로 높이가 꽤 낮은 경우도 있다. 대부분의 경우 구덩이 안에는 하나의 중앙 봉우리나 여러 개의 봉우리가 있다. 바다로 알려진 달의 어두운 지역에는 구덩이가 상대적으로 적다. 이들 바다는 대부분의 구덩이가 생겨난 뒤에 거대한 용암류가 흘러들어간 지역일 것이라고 생각되고 있다.

또다른 중요한 지형은 열구(rille)로서, 이는 수백㎞까지 뻗어 있는 골이 깊은 도랑이다. 이들 열구는 바다나 큰 구덩이의 경계를 이루는 산맥이나 언덕에 나란히 무리를 지어 있는 경향이 있다. 어떤 것은 구덩이 벽을 가로질러 지나기도 한다.

달의 기원

달의 기원에 대한 이론은 여러 가지가 있다. 19세기말 영국의 천문학자 조지 다윈 경이 내놓은 가설은 수십 년 동안 상당한 관심을 끌었다. 태양조석(太陽潮汐)에 관한 수학이론을 바탕으로, 그는 달이 처음에는 지구의 일부분이었다가 조석작용으로 지구에서 떨어져나가 점점 멀어졌을 것이라고 했다. 그러나 1930년 해럴드 제프리스 경은 그와 같은 과정이 일어날 가능성은 거의 없다는 것을 설득력있게 보여주었다.

1950년대에 나와 널리 퍼진 달의 기원에 관한 또 하나의 이론은 달이 태양계의 다른 어떤 곳에서 생겨나 나중에 지구의 인력에 붙들렸을 것이라고 제안했다. 그뒤 이 이론의 바탕이 된 기본가설이 물리학적으로 있을 법하지 않다는 것이 밝혀져 자취를 감추게 되었다.

오늘날 대부분의 학자들은 태양계의 기원에 대해 응결설(凝結說)을 확장시킨 것을 받아들이고 있다. 이 이론에 따르면 지구는 티끌, 유성체(遊星體), 비교적 큰 소행성 등의 무리에서 물질이 유입되어 생겨났다. 반면에 달은 지구 주변에 남은 부스러기 물질이 응결되어 이루어졌으며, 달이 커지면서 지구에 흡수되지 않았다.

지구 주변에 남은 이들 부스러기 물질은 태양계가 생겨난 초기에 태양과 성분이 비슷한 물질 가운데 비휘발성(非揮發性) 원소가 모여 생겨난 것으로 보고 있다. 이 가운데 일부가 녹아 규산염물질에서 철-니켈로 이루어진 단단한 물체가 분리되었다. 이런 중금속 부스러기들이 유입되어 지구가 되었고, 반면 갓태어난 행성 주변궤도에 있던 암석질 물체가 응결되어 달이 생겨났다.

달 탐사

우주 탐사의 초기에는 가장 많은 관심이 지구에서 가장 가까운 천체인 달에 집중되었다. 1959년 최초의 달 탐사선 소련의 루나 2호가 발사된 이후 달에 인간을 보내려는 노력이 시작되었으며, 1969년 미국의 아폴로 11호가 달 표면에 착륙하면서 결실을 맺었다. 소련(현 러시아)은 무인 탐사선을 이용해 달의 토양 시료를 수집해서 귀환했으며, 이후 유럽연합, 중국 등이 무인 탐사선을 이용한 달 탐사를 지속적으로 수행했다.

달 탐사의 목적은 크게 두 가지로 구분된다. 하나는 달에 인류가 거주하는 것을 목적으로 물과 같은 필수적인 자원의 활용 가능성 여부를 탐색하는 것이고, 다른 하나는 달에 있는 천연 자원을 인류가 이용하기 위한 것이다. 2003년 중국이 발표한 창어 계획은 장기적으로 달에 우주인이 머무는 기지를 건설하는 데 목적을 두어 진행되고 있는데, 창어 5호는 2020년 11월 24일 발사되어 12월 1일 달의 암석과 토양 표본을 수집했고, 12월 17일 네이멍구자치구로 귀환에 성공했다. 이에 따라 중국은 미국과 러시아에 이어 세번째 달 표본 수집 성공 국가로 기록되었다.

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달의공전주기

항성월과 삭망월

항성월 : 달이 별을 기준으로 지구 주위를 한 바퀴 돌며 같은 자리에 오는데 걸리는 시간 약 27.3일 (별은 지구에서 아주 멀리 있기 때문에 거의 같은 위치에서 관측돼요.)

삭망월 : 달이 망에서 다시 망이 되는 거처럼 지구를 돌며 위상이 바뀌는데 걸리는 시간 약 29.5일

차이점 : 2.2일정도 차이가 나는데 공전하는 동안 태양 둘레를 공전하기 때문에 차이가 나게 돼요. 지구는 태양을 하루에 약 1도씩 공전해서 달의 위상이 같아지려면 27도 정도 더 공전해야 해요.

달의 자전

1. 서 > 동으로 하루에 약 13도씩 자전해요.
2. 달의 자전 주기는 공전 주기와 같은 27.3일이에요.

달의 놀라운 진실

1. 매년 지구에서 3.8cm씩 멀어지고 있는데 과학자들은 처음 만들어졌을 때 거리가 약 2만 2,530km밖에 안됐지만 지금은 평균 40만 km에서 42만 km까지 멀어졌다고 해요. 만약 더 멀어져 떠나게 되면 생명체가 거의 멸종된다고 보고 있어요.

2. 달에도 지진이 있다고 해요. 아폴로 우주인들이 처음 착륙했을 때 지진계를 설치했는데 진동이 기록되었다고 해요.

3. 바다의 밀물, 썰물은 달의 영향으로 일어나는 것이라고 해요.

4. 달은 행성인가 위성 인가로 많은 토론이 일어나는데 명왕성보다 크기가 크고 지구의 1/4 정도 크기이기 때문에 행성에 가깝다는 사람들이 있어요.

5. 달에서 나무 씨앗을 심어 자란 것들을 다시 지구로 들고 왔는데 미 산림국에서 관리를 하고 있으며 현재까지도 450여 그루의 달나무들이 자라고 있다고 해요.

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달의 공전과 자주전주기가 일치하는 이유는? 

달은 늘 우리들에게 한 면만 보여줍니다. 그래서 그 부분을 앞면, 안 보이는 부분은 뒷면이라고 합니다.
우리에게 늘 토끼만 보이는 이유는 그래서입니다. 옛날에는 달의 뒷면이 참 신비스러운 존재였지만 이미 60년대 소련과 미국의 수많은 달탐사선들이 뒷면 사진을 찍어와서 공개되었습니다. 이렇게 달이 우리에게 한 면만 보이는 이유는 달이 지구를 한 바퀴 돌때, 그 스스로도 정확히 한 바퀴를 돌기 때문이며 이걸 공전주기와 자전주기가 일치한다고 표현합니다. (실제로는 정확히 앞면 50%, 뒷면 50%가 아니라 조금 더 보입니다.) 
정확히는 공전주기 27.3217일, 자전주기 27.3217일로 알려져 있습니다.

이러한 일치가 놀라워 보이지만, 다른 행성의 위성들은 어떨까요? 현재 알려진 다른 행성들의 일부 위성에서 공전주기와 자전구기가 어떻게 되는지 살펴보면 다음과 같습니다. 각 위성들의 이름, 공전주기(일), 자전주기(일) 
입니다.

화성의 위성

Phobos 0.3189, 0.3189.

Deimos 1.2624, 1.2624.

목성의 위성

Amalthea 0.4982, 0.4982.

Io 1.7691, 1.7691.

Europa 3.5512, 3.5512.

Ganymede 7.1545, 7.1545.

Callisto 16.689, 16.689.

토성의 위성

Epimetheus 0.6943, 0.6943.

Janus 0.6988, 0.6988.

Mimas 0.9424, 0.9424.

Enceladus 1.3702, 1.3702.

Tethys 1.8878, 1.8878.

Dione 2.7369, 2.7369.

Rhea 4.5175, 4.5175.

Titan 15.9454, 15.9454.

Iapetus 79.3302, 79.3302.

천왕성의 위성

Miranda 1.4135, 1.4135.

Ariel 2.5204, 2.5204.

Umbriel 4.1442, 4.1442.

Titania 8.7059, 8.7059.

Oberon 13.4632, 13.4632.

해왕성의 위성

Triton 5.8768, 5.8768.

명왕성의 위성

Charon 6.3872, 6.3872.

물론 이렇게 공전주기와 자전주기가 일치하지 않는 위성들도 있고 많은 행성에서 앞으로도 더 많은 위성들이 발견될 것이므로 위성들 전부의 자료는 아닙니다. 그런데 위 예처럼 어떤 위성이 그 행성 주위를 돌면서 공전주기와 자전주기가 일치하는 것은 아주 흔한 현상입니다. 즉 지구의 달에만 있는 특별한 현상이 아닙니다.

이렇게 위성의 공전주기와 자전주기가 일치하는 이유는 행성과 위성 사이의 조석력 때문입니다. 지구에서는 달의 조석력에 의해 밀물과 썰물이 일어납니다. 마찬가지로 지구의 인력도 달에 영향을 미치며 그 힘은 만일 달이 공전주기보다 느린 자전주기를 가졌다면 그 자전속도를 빠르게 하고, 공전주기보다 빠른 자전주기를 가졌다면 그 자전속도를 늦춰서 둘이 같게 합니다. 바로 이러한 현상이 태양계 전체의 모든 행성과 그 위성들에서 일어나기 때문에 이렇게 모두들 공전주기와 자전주기가 일치하게 된 것입니다. 토성의 히페리온은 공전주기와 자전주기가 일치하지 않는다고 하는데 그 이유는 최근 다른 천체와의 충돌로 서로 어긋나게 된 것이라고 합니다.