지구과학 고2 태양계 천체와 별과 우주의 진화

지구의 자전과 공전

Q: 지구의 자전 주기는 24시간이 아닌가요?

기준에 따라 다릅니다. 먼 별을 기준으로 한 바퀴 도는 시간(항성일)은 약 23시간 56분이고, 태양이 다시 남중할 때까지 걸리는 시간(태양일)이 약 24시간입니다. 지구가 자전하는 동안 공전도 해서 태양 쪽으로 약 1를 더 돌아야 하기 때문에 태양일이 약 4분 더 깁니다.

Q: 자전축이 기울어져 있지 않다면 어떻게 되나요?

태양의 적위가 항상 0이므로 남중 고도가 1년 내내 같고, 낮과 밤의 길이도 항상 같아집니다. 계절 변화가 사실상 사라지고, 위도에 따른 기후 차이만 남습니다.

지구의 자전과 공전으로 나타나는 낮과 밤·계절 변화·별의 일주·연주 운동을 설명한다.

지구가 자전축을 중심으로 하루에 한 바퀴 도는 것이 자전, 태양 둘레를 1년에 한 바퀴 도는 것이 공전이며, 이 두 운동이 낮과 밤·계절 변화·별의 일주 운동과 연주 운동을 모두 만듭니다.

회전목마를 타고 도는 동안(자전) 주변 풍경이 반대로 흘러가고, 목마가 실린 놀이공원 자체가 천천히 이동하면(공전) 계절마다 보이는 풍경 자체가 바뀝니다. 하늘이 움직이는 게 아니라 우리가 실려 움직이는 것입니다.

쉽게 말하면

지구의 운동에서 자전과 공전을 이미 배웠습니다. 여기서는 그 두 운동이 하늘에서 '무엇으로 보이는가'를 각도와 시간으로 따집니다.

지구는 북극 위에서 내려다볼 때 시계 반대 방향, 즉 서에서 동으로 자전합니다. 우리가 동쪽으로 실려 가므로 하늘의 천체는 반대로 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 것처럼 보입니다. 이것이 일주 운동이고, 하루에 $36 0^{\circ}$ 이므로 $1$ 시간에 $1 5^{\circ}$ 씩 움직입니다.

공전도 서에서 동으로, $1$ 년에 $36 0^{\circ}$ 이므로 하루에 약 $1^{\circ}$ 입니다. 그래서 같은 별이 매일 약 $4$ 분씩 일찍 뜨고, 계절마다 밤하늘의 별자리가 바뀝니다. 반대로 별자리를 기준으로 보면 태양이 1년에 걸쳐 별들 사이를 서에서 동으로 한 바퀴 도는 것처럼 보이는데, 그 길이 황도입니다. 이것이 연주 운동입니다.

계절이 바뀌는 이유는 자전축이 공전 궤도면에 대해 기울어져 있기 때문입니다. 자전축은 공전 궤도면의 수직 방향에서 약 $23. 5^{\circ}$ 기울어진 채 늘 같은 방향을 가리킵니다. 그래서 지구가 궤도의 어느 쪽에 있느냐에 따라 태양의 남중 고도와 낮의 길이가 달라지고, 단위 면적이 받는 태양 에너지가 달라집니다. 계절의 변화에서 본 그림을 각도로 다시 쓰면 남중 고도는 $h = 9 0^{\circ} - (위도) + δ$ 이며, $δ$ 는 태양의 적위로 하지에 $+ 23. 5^{\circ}$ , 동지에 $- 23. 5^{\circ}$ 입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

같은 별을 같은 시각에 보면 매일 조금씩 서쪽에 있다

$\frac{36 0 ^{\circ}}{365 일} \approx 1^{\circ} / 일, \frac{1 ^{\circ}}{1 5 ^{\circ} / 시간} \approx 4 분$

공전 때문에 별은 매일 약 $1^{\circ}$ 씩 서쪽으로 밀립니다. 일주 운동이 $1$ 시간에 $1 5^{\circ}$ 이므로 이 $1^{\circ}$ 는 약 $4$ 분에 해당합니다. 그래서 같은 별이 매일 약 $4$ 분씩 일찍 뜹니다.
예시 2

서울(위도 약 $37. 5^{\circ}$ N)에서 하지와 동지의 태양 남중 고도

$h_{하지} = 9 0^{\circ} - 37. 5^{\circ} + 23. 5^{\circ} = 7 6^{\circ}, h_{동지} = 9 0^{\circ} - 37. 5^{\circ} - 23. 5^{\circ} = 2 9^{\circ}$

고도 차이가 약 $4 7^{\circ}$ 나 됩니다. 태양이 낮게 뜨면 같은 햇빛이 더 넓은 면적에 퍼져 지표가 덜 데워집니다.
예시 3

북극성 근처 별의 일주 운동은 원, 남쪽 하늘 별은 활 모양

천의 북극(북극성 부근) 가까운 별은 지지 않고 작은 원을 그립니다. 천구 적도에 가까운 별일수록 더 큰 원의 일부, 즉 동에서 떠 서로 지는 활 모양 궤적을 그립니다. 자전축의 연장선이 어디를 향하느냐가 궤적의 모양을 결정합니다.

자전과 공전

구분	자전	공전
회전 중심	지구 자신의 자전축	태양
주기	약 1일	약 1년
방향	서 → 동	서 → 동
겉보기 운동	일주 운동 ( $1 5^{\circ}$ /시간, 동 → 서)	연주 운동 (약 $1^{\circ}$ /일, 별 사이에서 태양이 서 → 동)
나타나는 현상	낮과 밤, 태양·별의 일주 운동	계절 변화, 계절별 별자리, 태양의 황도 운동

자주 하는 오해

계절이 지구와 태양 사이의 거리 때문에 바뀐다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움여름에는 지구가 태양에 가깝고, 겨울에는 멀어서 춥다

실제로는계절은 자전축이 약

23. 5^{\circ}

기울어져 있어서 태양의 남중 고도와 낮의 길이가 달라지기 때문에 생깁니다.

지구 궤도는 거의 원에 가까워서 거리 차이는 몇 퍼센트에 불과합니다. 결정적으로, 북반구가 겨울일 때 지구는 오히려 태양에 더 가까운 근일점 부근을 지납니다. 거리 때문이라면 북반구와 남반구의 계절이 반대일 수도 없습니다.

일주 운동과 연주 운동의 방향을 같은 것으로 외우기

이렇게 생각하기 쉬움지구가 서에서 동으로 도니까 별도 서에서 동으로 움직여 보인다

실제로는하루 동안 별은 동에서 서로 흐릅니다. 반면 1년에 걸쳐 보면 태양은 별자리 사이를 서에서 동으로 이동합니다.

두 방향이 반대라서 헷갈립니다. 기준을 나누면 정리됩니다. 지평선을 기준으로 보면 내가 동쪽으로 실려 가므로 하늘은 뒤로(서쪽으로) 흘러갑니다. 반면 별을 기준으로 태양의 위치를 재면, 지구가 궤도를 동쪽으로 나아가는 만큼 태양이 별들 사이에서 동쪽으로 밀려납니다. '무엇에 대한 운동인가'를 먼저 물어야 합니다.