2강. 태양계(solar system)
추천글 : 【지구과학】 지구과학 목차
1. 태양계 [본문]
2. 태양 [본문]
3. 지구 [본문]
4. 달 [본문]
5. 행성 [본문]
6. 소행성 [본문]
7. 혜성 [본문]
8. 유성 [본문]
9. 라그랑주 포인트 [본문]
1. 태양계 [목차]
⑴ 태양계의 기원에 대한 학설 : 성운설이 가장 타당한 것으로 알려짐
① Kant, Laplace의 화성운 설
② T.C. Chamberlin F.R. Moulton의 미혹성설
③ Jeans의 조석설
④ Lyttleton의 연성조우설
⑤ Weizsacher의 성운설
⑵ 1st. 초신성 폭발 : 우리 은하의 나선팔에 있던 성운 주변에서 초신성 폭발이 일어남
⑶ 2nd. 태양계 성운의 형성 : 안정한 상태였던 우리 은하의 물질들이 불균일해져 태양계 성운이 형성
⑷ 3rd. 성운의 수축 : 태양계 성운은 중력에 의해 수축하면서 서서히 회전하기 시작
⑸ 4th. 원시 태양의 형성 : 성운이 수축하면서 중심부에 온도가 높아지고 밀도가 커져 원시 태양이 형성
⑹ 5th. 원시 원반의 형성 : 원시 태양의 바깥쪽의 회전이 점차 빨라져 납작한 원반 모양의 원시 원반이 형성
⑺ 6th. 원시 태양의 중심부는 중력 수축으로 온도가 높아짐
⑻ 7th. 원시 원반은 회전하는 동안 여러 개의 큰 고리를 형성
⑼ 8th. 미행성체의 형성 : 각 고리에서 가스와 먼지가 뭉쳐 수많은 미행성체가 형성
⑽ 9th. 원시 태양은 중심부에서 수소 핵융합 반응이 일어나면서 태양이 됨
⑾ 10th. 원시 행성의 형성 : 미행성체가 서로 충돌하여 원시 행성이 됨. 추후 성장하여 완전한 행성이 됨
⑿ 11th. 태양계의 형성 : 남은 가스와 먼지는 태양풍에 의해 태양계 바깥으로 보내짐
⑴ 특징
① 지름 : 약 1,390,000 km = 지구 지름 × 109
② 질량 : 2 × 1030 kg = 지구 질량 × 330,000
③ 자전주기 : 25일
④ 구성 : 수소와 헬륨이 대부분, 나트륨, 마그네슘, 철 등 포함
⑤ 표면 온도 : 6,000 K
⑥ 중심 온도 : 16,000,000 × 107 K
⑦ 중심 압력 : 3,000,000,000 (30억) atm
⑧ 표면 중력 = 지구 표면 중력 × 28
⑵ 구조
① 핵 : 수소 원자 핵융합을 통해 에너지 생성
② 복사층 : 두께 약 37만 km. 핵 에너지를 대류층에 전달
③ 접합층 : 복사층과 대류층 사이, 자기장 발생 원인
④ 대류층 : 대류를 통해 외부로 열 전달. 물질 출입 제한
⑶ 태양의 표면
① 광구 : 태양의 표면. 흑점이 발견됨
○ 물질이 플라즈마 상태로 존재하고 흑체복사가 나타남
○ 홍염 : 광구로부터 높이 분출된 화염 기둥
○ 플레어 : 가스 폭발과 유사한 현상
○ 쌀알무늬 : 광구 밑의 대류층으로 생김
○ 밝은 부분 : 고온의 물질이 올라오는 부분
○ 어두운 부분 : 저온의 물질이 내려가는 곳
② 채층 : 태양의 대기층. 홍염·필라멘트 폭발 등 존재
○ 반채층 : 채층의 반쪽 하층부
○ 코로나 : 태양 대기층의 가장 바깥층
○ 채층의 상층부 온도는 광구의 상층부 온도보다 높음
③ 흑점(sunspot)
○ 원인 : 강한 자기장의 영향으로 대류가 방해되기 때문
○ 흑점의 형태 : 흑점은 다른 표면보다 온도가 낮은 부분
○ 흑점의 주기 : 11.1년을 주기로 증감. 흑점은 한 자리에서 생겼다가 사라짐
○ 흑점의 이동
○ 흑점의 관찰 : 태양이 남중고도에 서 있고 관찰자가 태양을 볼 때 왼쪽이 동쪽, 오른쪽이 서쪽
○ 태양이 반시계 방향으로 자전 : 서 → 동이라고도 함
○ 정오마다 관찰한 흑점은 시간이 지날 때마다 동 → 서로 이동
○ 태양의 자전속도는 적도에서 가장 빠름 : 자전주기는 적도가 가장 짧음
○ 지구의 공전주기 E, 흑점의 자전주기 S, 지구상에서 잰 주기 P에 대하여
⑷ 태양복사
① 태양상수 : 1.94 cal / min·㎠
② Fraunhofer 선 : 태양광선에서 나타나는 흡수선
○ 이유 : 태양면으로부터 나오는 빛이 태양 대기중의 물질에 의하여 선택적으로 흡수되기 때문
③ 원자핵 반응설(핵융합) : 이렇게 높은 온도에서 수소 원자핵이 헬륨 원자핵으로 변할 때 에너지가 발생
3. 지구 [목차]
⑴ 1st. 원시 지구의 형성 : 태양계 성운에서 원시 행성이 형성되는 과정에서 원시 지구가 형성
⑵ 2nd. 수소와 같이 가벼운 기체는 우주로 날아감. 질소와 같이 무거운 기체가 남아 대기를 이룸
⑶ 3rd. 미행성체 충돌 : 원시 지구에 미생성체들이 충돌하고 합쳐져 지구의 크기 및 질량이 증가
⑷ 4th. 미행성체의 충돌열, 수증기의 온실효과, 방사성 원소의 붕괴에 의해 지구의 온도가 상승
⑸ 5th. 마그마 바다 형성 : 지구의 온도가 상승하여 지구 전체가 마그마 바다를 형성
⑹ 6th. 핵 형성 : 마그마 바다에서 철, 니켈 등 무거운 물질은 지구 중심부로 가라앉아 핵을 형성
⑺ 7th. 맨틀 형성 : 마그마 바다에서 규소, 산소 등 가벼운 물질은 위로 떠올라 맨틀을 형성
⑻ 8th. 원시지각 형성 : 미행성체의 충돌이 줄어듦 → 지구의 표면이 식음 → 원시지각 형성
⑼ 9th. 원시바다 형성 : 대기 중의 수증기가 응결하여 비가 내림 → 원시 바다 형성
⑽ 10th. 생명체의 출현 : 바다에서 최초의 생명체가 탄생
⑾ 11th. 이산화탄소는 원시 바다에 녹아 석회암을 형성하여 대기 중 이산화탄소량이 감소
⑿ 12th. 바다에서 광합성 생물이 등장하여 대기 중 산소의 양이 증가
4. 달 [목차]
⑴ 달의 구조
① 바다 : 달의 표면에서 어두운 부분. 대부분 화산 활동으로 만들어짐
② 고지 : 달의 표면에서 밝은 부분. 크레이터가 많이 분포함
③ 달의 크기
○ 측정 1. 달의 각지름(시지름) 이용
○ 측정 2. 삼각형의 닮음비 이용
⑵ 달의 운동
① 달의 공전
○ 공전 방향 : 서 → 동 또는 반시계방향
○ 공전 속도 : 하루에 13°씩
② 달의 변화 단계
○ 일주운동에 의해 뜰 때는 동쪽 하늘, 질 때는 서쪽 하늘에 있음
○ 1단계. 삭 : 음력 1일 ~ 2일, 일출에 뜸, 정오에 남중, 일몰에 짐
○ 2단계. (참고) 초승달
○ 3단계. 상현달(상현) : 음력 7일 ~ 8일, 정오에 뜸, 일몰에 남중, 자정에 짐
○ 4단계. 보름달(망) : 음력 15일 ~ 16일, 일몰에 뜸, 자정에 남중, 일출에 짐
○ 5단계. 하현달(하현) : 음력 22 ~ 23일, 자정에 뜸, 일출에 남중, 정오에 짐
○ 6단계. (참고) 그믐달
○ 어원 : 상현은 위쪽에 있는 활시위(현)를, 하현은 아래쪽에 있는 활시위를 의미
③ 공전주기
Figure. 4. 항성월(A → B)과 삭망월(A → C)
○ 항성월 : 달이 별을 기준으로 다시 제자리로 돌아오는 시간. 약 27.3일
○ 삭망월 : 달이 삭에서 삭 또는 망에서 망이 될 때까지 걸리는 시간. 약 29.5일
○ 항성월과 삭망월이 차이나는 이유 : 지구의 공전 때문
④ 달의 자전
○ 달이 자전축을 중심으로 약 한 달에 한 바퀴씩 서에서 동으로 도는 운동
○ 달의 자전 주기와 공전 주기가 같아 달이 같은 면만 관찰
○ 이유 : 달의 자전 에너지를 지구에게 뺐겨서 가장 낮은 에너지 수준으로 머물러 있는 것임
⑶ 스윙바이(스윙샷)
① 스윙바이를 많이 하면 달이 지구에 가까워짐
⑷ 달의 운동
① 근지점, 차
② 섭동(태음지질)
③ 장년가속
⑸ 식 현상
① 일식(eclipse)
Figure. 5. 개기일식 진행과정
○ 달의 위상이 삭인 경우에 발생
○ 특정 지역에서만 관찰 가능
○ 일식이 끝나고 난 후 저녁에는 태양이 달보다 먼저 짐 : 달은 일주운동과 반대로 공전운동을 하기 때문
○ 일식이 진행될 때 태양의 오른쪽부터 가려지기 시작함
② 월식(lunar eclipse)
○ 달의 위상이 망인 경우에 발생
○ 달이 보이는 모든 지역에서 관찰 가능
○ 월식이 진행될 때 달의 왼쪽부터 가려지기 시작함
○ (주석) 일식이 진행될 때 태양의 오른쪽부터 가려지기 시작하기 때문에 달의 왼쪽부터 가려지는 것
③ 사로스의 주기
⑹ 유래설
① 분화설
② 운석낙하설
③ 가스 돈출설
5. 행성 [목차]
⑴ 티티우스-보데의 법칙(Titius-Bode law) (1722)
① 태양으로부터 각 혹성까지의 거리가 단순한 하나의 수열로 나타낼 수 있음
② 태양과 지구 사이의 평균거리를 1로 나타냄
③ p = 0.4 + 0.3 × 2n (n = 0, 1, ···)
| n | a (AU) | 행성 | 궤도장반경 (AU) |
| -∞ | 0.4 | 수성 | 0.39 |
| 0 | 0.7 | 금성 | 0.72 |
| 1 | 1.0 | 지구 | 1.00 |
| 2 | 1.6 | 화성 | 1.52 |
| 3 | 2.8 | 세레스 | 2.77 |
| 4 | 5.2 | 목성 | 5.20 |
| 5 | 10.0 | 토성 | 9.55 |
| 6 | 19.6 | 천왕성 | 19.22 |
| 7 | 38.8 | 해왕성 | 30.11 |
| 오르쿠스 | 39.17 | ||
| 명왕성 | 39.54 | ||
| 하우메아 | 43.22 | ||
| 콰오아 | 43.40 | ||
| 8 | 77.2 | 2007 OR10 | 66.85 |
| 에리스 | 67.78 | ||
| 9 | 154.0 | 2000 CR105 | 230.12 |
| 10 | 307.6 | 2010 GB174 | 351.0 |
| 11 | 614.8 | 세드나 | 506.2 |
| 제9행성(?) | 665 |
Table. 1. Bode 법칙의 적용 사례 (ref)
④ 아직까지 원인이 밝혀지지 않음
⑤ (참고) 세레스는 소행성대를 의미함
⑵ 행성의 운동
① 케플러 제1법칙 : 타원궤도의 법칙
○ 정의 : 행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 그리면서 공전
○ 이심률(eccentricity)
② 케플러 제2법칙 : 면적속도 일정의 법칙
○ 정의 : 행성과 태양을 연결하는 선분이 같은 시간동안 쓸고 지나가는 면적은 일정
○ 원리 : 각운동량 보존법칙에 의해 성립
③ 케플러 제3법칙 : 조화의 법칙(harmonic law)
○ 정의 : 행성의 공전 주기의 제곱은 타원 궤도의 장반경의 세제곱에 비례
○ 주기와 거리의 조화로운 관계가 있다고 하여 조화의 법칙으로 부름
④ 활력 방정식(is-viva equation)
○ 공통 질량중심을 고려하지 않는 경우 : 일반적인 역학적 에너지 보존법칙을 이용함
○ 공통 질량중심을 고려한 경우
⑶ 행성의 겉보기 운동
① 공통
○ 행성들이 시운동을 하는 이유 : 행성의 공전 속도 차이 때문
○ 모든 행성들은 순행과 역행을 함
② 내행성의 겉보기 운동
○ 내행성 : 수성, 금성
○ 외합과 내합 : 관측되지 않음
○ 최대이각 : 수성의 경우 대략 30°, 금성의 경우 대략 45°
지구에서 태양을 바라보았을 때 태양은 남쪽 부근에 위치하므로, 왼쪽이 동방, 오른쪽이 서방을 나타냄
○ 서방 최대이각 : 태양은 남쪽 부근에 있고 동 → 서로 일주운동하는 데 태양을 바라보았을 때 오른쪽인 서쪽에 내행성이 있으므로 새벽, 동쪽 하늘에서 관찰됨
○ 동방 최대이각 : 태양은 남쪽 부근에 있거 동 → 서로 일주운동하는 데 태양을 바라보았을 때 왼쪽인 동쪽에 내행성이 있으므로 초저녁, 서쪽 하늘에서 관찰됨
○ 회합주기
○ 정의 : 지구에 대해 상대적인 행성의 위치가 동일해지는 주기
○ 수식화 : 행성의 공전주기 P, 지구의 공전주기 E, 회합주기 S에 대하여
○ 수성만 다른 행성과 달리 회합 주기가 1년보다 짧음
○ 역행 : 내합 부근에서 일어남 (∵ 가깝기 때문)
③ 외행성의 겉보기 운동
○ 외행성 : 지구 궤도 바깥쪽
○ 충 : 초저녁 ~ 새벽까지 12시간 동안 관측
○ 합 : 관측되지 않음
○ 동구 : 초저녁 ~ 자정까지 6시간 동안 서쪽 하늘에서 관측
○ 서구 : 자정 ~ 새벽까지 6시간 동안 동쪽 하늘에서 관측
○ 회합주기
○ 정의 : 지구에 대해 상대적인 행성의 위치가 동일해지는 주기
○ 수식화 : 행성의 공전주기 P, 지구의 공전주기 E, 회합주기 S에 대하여
○ 외행성의 회합 주기는 지구에 가까울수록 크고, 지구에서 멀수록 작아짐 (∵ 각속도 차이가 커지므로)
○ 외행성은 지구에서 멀수록 회합주기가 1년에 가까워짐
○ 외행성은 반달보다 큰 위상만을 가짐
○ 역행 : 외행성은 충을 기준으로 역행 (∵ 가깝기 때문)
⑷ 행성의 구분
| 지구형 행성 | 목성형 행성 | |
| 반지름 | 작다 | 크다 |
| 밀도 | 크다 | 작다 |
| 질량 | 작다 | 크다 |
| 자전주기 | 길다 | 짧다 |
| 공전주기 | 짧다 | 길다 |
| 편평도 | 작다 | 크다 |
| 위성수 | 적다 | 많다 |
| 고리 | 없다 | 있다 |
| 대기두께 | 얇다 | 두껍다 |
| 대기성분 | CO2, N2, O2 | He, CH4, NH3, H2 |
| 주성분 | Fe, O, Si | H, He |
Table. 2. 행성의 구분
① 온도
○ 지구형 행성 : 태양으로부터 거리가 가까워 온도가 높음
○ 목성형 행성 : 태양으로부터 거리가 멀어 온도가 낮음
② 주요 성분
○ 지구형 행성 : 메테인 등의 가벼운 물질은 증발. 철, 니켈, 규소 등 무거운 물질이 남아 응축됨
○ 목성형 행성 : 중력에 의해 중심으로 몰리지 않았던 가벼운 물질들이 응축됨
③ 평균 밀도
○ 지구형 행성 : 무거운 원소로 주로 구성되어 평균 밀도가 큼
○ 목성형 행성 : 가벼운 원소로 주로 구성되어 평균 밀도가 낮음
④ 자전주기
○ 지구형 행성 : 무거운 원소로 구성되어 자전이 느림
○ 목성형 행성 : 가벼운 원소로 구성되어 자전이 빠름
⑸ 행성의 종류
① 수성(Mercury)
○ 어원 : 발이 빠르다는 뜻을 가진 신
○ 공전주기 : 약 88일
○ 자전주기 : 약 59일
○ 반지름 : 약 2,440 km
○ 질량 : 3.3 × 1023 kg
○ 대기가 거의 없음
○ 주기 변화 : 100년에 574초 이동
○ 530초 : 태양 이외의 다른 행성의 영향
○ 43초 : 태양의 중력에 의한 시공간 곡률의 영향 (일반상대론)
② 금성(Venus)
○ 어원 : 미의 여신
○ 자전주기 : 약 243일
○ 반지름 : 지구의 0.95배
○ 질량 : 지구의 0.82배
○ 대기 : 대부분 이산화탄소, 황산
○ 표면 온도 : 약 740 K (높음)
○ 주요 특징 : 태양계의 행성 중 가장 밝게 보임
③ 화성(Mars)
○ 어원 : 전쟁, 죽음, 질병을 상징하는 신
○ 붉게 보이는 행성
○ 수성과 유사한 크기
○ 중력이 작아 대기가 거의 없음
○ 대기 구성 : 이산화탄소 95%
○ 얼음으로 덮인 극관 존재 : 계절별 크기 차이 존재. 얼음은 주로 지하에 존재함
○ 주요 특징 : 운석 구덩이가 가장 많음, 계절 변화, 화산 폭발
④ 목성(Jupiter)
○ 어원 : 제우스
○ 태양계에서 가장 큰 행성
○ 대기 조성 : 수소, 헬륨 등 대부분 기체
○ 대적반 : 붉은 점. 가로 50,000 km, 세로 20,000 km. 남반구에 위치
○ 대 : 밝은 무늬
○ 띠 : 어두운 무늬
○ 위성 : 60개 이상
○ 갈릴레오 위성 : 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토
⑤ 토성(Saturn)
○ 어원 : 농경의 신 크로노스
○ 카니시에 의해 간극을 가진 고리 발견
○ 목성과 유사한 띠와 대가 있으나 매우 작음
○ 많은 위성 : 타이탄이 대표적. 대부분 얼음 덩어리
○ 타이탄
○ 온도가 낮아 물, 암모니아, 메탄이 존재
○ 이로 인해 주로 질소로 구성된 두꺼운 대기층을 형성
○ 고리의 원인 : 불분명, 성운설, 위성 잔해설, 혜성 충돌설
○ 주요 특징 : 편평도가 가장 큼
⑥ 천왕성(Uranus)
○ 어원 : 우라노스, 가이아, 크로노스
○ 토성과 마찬가지로 얇은 고리를 가진 행성 : 암석 조각
○ 공전 궤도와 수직하게 자전
○ 대기 조성 : 메탄, 수소
⑦ 해왕성(Neptune)
○ 어원 : 포세이돈
○ 맨눈으로 확인 불가능
○ 대기 조성 : 수소, 헬륨, 메탄, 암모니아
○ 반점, 띠, 고리 등을 가짐
○ 트리톤(Triton) : 대기가 있는 위성
○ 해왕성의 발견
○ 천왕성을 최초로 행성으로 분류 : 1781년, William Herschel
○ 천왕성의 궤도가 중력 이론으로 설명되지 않는 게 대두됨
○ 미지의 행성이 있을 것이라 예측 : 1843년, John Couch Adams
○ 그로부터 한 달 뒤 독일 천문학자에 의해 해왕성이 발견됨
⑧ 명왕성(Pluto)
○ 2006년 국제천문연맹에서 행성 자격 박탈
○ 사유 1. 태양계 밖에도 명왕성과 유사한 천체가 다수 존재
○ 사유 2. 천체의 크기가 작음 : 달 크기의 2/3이고 심지어 점점 작아지고 있음
○ 사유 3. 이심률이 큰 타원 궤도
6. 소행성 (asteroid) [목차]
⑴ 대부분의 소행성는 화성과 목성 사이의 소행성대에 존재
⑵ 태양계에 존재하는 모든 소행성의 질량의 합은 지구의 질량보다 작음
⑶ 소행성은 반시계 방향으로 태양 주위를 공전
⑷ 소행성은 혜성과 함께 태양계의 기원을 밝히는 데 매우 중요함 (∵ 태양계 초기 물질을 가지고 있으므로)
7. 혜성 (comet) [목차]
⑴ 정의 : 태양이나 질량이 큰 행성을 타원이나 포물선 궤도로 도는 천체
⑵ 구조
① 핵 : 먼지와 얼음
② 대기 : 코마
③ 수소운
④ 꼬리 : 이온꼬리, 먼지꼬리
⑤ 이온꼬리는 태양풍(전자기장)에 의해 항상 반대로 놓임
⑶ 종류 : 목성족 혜성, 토성족 혜성, 천왕성족 혜성, 해왕성족 혜성
⑷ 주기
① 단주기 혜성 : 20년 미만
② 핼리형 혜성 : 20 ~ 200년
③ 장주기 혜성 : 200년 이상
⑸ 혜성이 지구를 스쳐가면 지구가 에너지를 얻거나 뺏김
⑹ 카이퍼 벨트와 오르트 구름
Figure. 6. 카이퍼 벨트와 오르트 구름
① 카이퍼 벨트(Kuiper belt) : 태양계 바깥쪽에서 작은 천체들이 모여 있는 영역
○ 해왕성 밖 30 ~ 50 AU의 도넛 모양
○ 물과 얼음 위주의 소행성이 대부분
○ 단주기 혜성의 고향
② 오르트 구름(Oort cloud) : 태양계 바깥쪽에서 먼지, 얼음 조각들이 모여 있는 영역
○ 1 ~ 10만 AU 이내의 영역
○ 장주기 혜성 및 비주기 혜성의 영역
⑺ 혜성은 소행성과 함께 태양계의 기원을 밝히는 데 매우 중요함 (∵ 태양계 초기 물질을 가지고 있으므로)
8. 유성(meteor) [목차]
⑴ 정의 : 극소 천체가 지구의 인력으로 대기중에 들어와 대기와의 마찰로 빛을 발하는 것
⑵ 구성 : 니켈, 규소, 마그네슘, 유황, 칼슘, 나트륨, 아르곤 등 약 30종의 원소
① 운석 : 주성분이 암석질인 것
② 운철 : 주성분이 철질인 것
9. 라그랑주 포인트(Lagrange point) [목차]
⑴ 개요
① 정의 : 우주상에서 중력적으로 안정한 지점
② 8세기 말, 조제프루이 라그랑주(Joseph Louis Lagrange)에 의해 발견됨
⑵ 태양과 지구 사이의 라그랑주 포인트
Figure. 7. 태양과 지구 사이의 라그랑주 포인트
① L1 : 태양을 관측하기에 이상적인 위치
② L2 : 우주망원경이 놓이기 좋은 위치. 제임스 웹 망원경은 허블 망원경과 달리 라그랑주 포인트(L2)에 위치하고 있음
③ L3 : 지구와 동일한 궤도 주기를 가지는 위치
④ L4 : 행성 간 먼지가 존재함. L4 지점 주위에는 소행성 2010 TK7이 존재함
⑤ L5 : 행성 간 먼지가 존재함
⑶ 태양과 목성 사이의 라그랑주 포인트
① L4, L5 지점에는 트로이 소행성군이 존재함
입력: 2019.04.07 10:00
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