6강. 지구의 운동
추천글 : 【지구과학】 지구과학 목차
1. 지구의 자전 [본문]
2. 지구의 공전 [본문]
3. 지구의 운동 [본문]
4. 지구의 시공간 [본문]
1. 지구의 자전 [목차]
⑴ 일주운동
① 별의 일주운동 : 지구 자전에 의한 별의 시운동. 주기는 24시간
○ 지구의 자전방향 : 서 → 동. 천구의 북극에서 보았을 때 반시계방향
○ 일주운동 회전방향 : 동 → 서. 천구의 북극에서 보았을 때 시계방향 (∵ 지구의 자전을 역으로 생각)
○ 일주권 : 별의 일주운동 경로. 천구의 적도에 평행
○ 별의 일주운동은 천구의 남극 방향의 각속도 벡터를 가지는 것으로 분석할 수 있음
○ 태양을 포함한 별이 동쪽에서 뜨고 서쪽에서 지는 이유
○ (참고) 남반구에서 태양을 포함한 별은 서쪽에서 뜨고 동쪽에서 짐
② 주극성, 출몰성, 전몰성
○ 항성의 적위 δ, 관찰자의 위도 Φ에 대해,
○ 주극성 : 지평선 아래로 지지 않는 별. (90° - Φ) ≤ δ ≤ 90°
○ 출몰성 : 지평선 위로 떴다 지는 별. -(90° - Φ) ≤ δ < (90° - Φ)
○ 전몰성 : 지평선 위로 뜨지 않는 별. -90° ≤ δ < -(90° - Φ)
○ 백야와 흑야는 태양이 각각 주극성과 전몰성이 되는 현상임
○ (주석) 주극성 등은 공식이 아니라 직관으로 이해할 것
⑵ 지구 자전의 증거
① 푸코진자(Foucault's pendulum) 진동면의 회전
○ 북극
○ 진자 진동면이 시계 방향으로 회전 : 관찰자와 지구가 반시계 방향으로 회전하기 때문
○ 회전 주기 : A와 B가 겹쳐지는 주기, 24시간
Figure. 1. 북극 푸코진자 진동면의 회전
○ 남극 : 반시계 방향, 24시간 주기
○ 적도 : 진동면이 회전하지 않음
○ 임의의 위도 : 극지방과 적도의 결론을 종합
Figure. 2. 임의의 위도에서 각속도 벡터의 분해
○ 각속도 벡터가 지면과 수직한 성분만이 진동면 회전에 관여 : sinθ (θ : 위도)와 관련 있음
○ 진동면 회전방향 : 지구자전과 반대방향, 북반구는 시계방향, 남반구는 반시계방향
○ 진동면 회전주기
② 전향력(코리올리의 힘)
○ 물체의 운동방향을 전환시키는 가상적인 힘
○ 방향 : 북반구는 운동방향에 대해 오른쪽 직각 방향이고, 남반구는 왼쪽 직각 방향임
○ 크기 : 극에서 최대이고, 적도에서 0
○ 공식 : 질량 m, 물체의 운동속도 v, 지구자전 각속도 ω, 위도 Φ에 대해 다음이 성립
③ 인공위성 서편현상 : 항상 같은 궤도를 도는 인공위성을 지구의 관측자가 보면, 궤도가 조금씩 서쪽으로 이동
④ 자유낙체의 동편현상 : 자유낙하하는 물체가 동쪽으로 치우쳐 떨어지는 현상
○ 가정 : 지구반지름 R, A 물체와 지표면 사이의 거리 h, 위도 θ, 각가속도 Ω
○ 지표면 관찰자의 선속도 : RΩ cosθ
○ A 물체의 선속도 : (R+h)Ω cosθ
○ A 물체의 선속도가 지표면 관찰자의 선속도보다 크므로 A 물체는 지표면 관찰자보다 자전방향으로 더 이동
⑶ 지구 자전의 영향으로 나타나는 현상
① 밤과 낮이 생김
② 천체의 일주현상이 일어남, 즉 1시간에 15°씩 서에서 동으로 움직임
③ 조석현상이 나타남
2. 지구의 공전 [목차]
⑴ 지구 공전의 증거
① 광행차
○ 지구의 공전 때문에 별빛이 기울어져 관측되는 현상
○ 공전 속도가 증가할수록 광행차가 감소함
② 태양의 연주운동
③ 연주시차 : 1년을 주기로 별의 위치가 달라져 보이는 현상으로 지구-별-태양이 이루는 각으로 나타냄
○ 가장 가까운 별의 연주시차는 0.76"임
○ 먼 별일수록 연주시차는 작음
○ 연주시차 1" = 거리 1 pc, r (pc) = 1 / P"
○ 1838년 독일 천문학자 베셀에 의해 발견됨
④ 별빛의 도플러효과 : 적색편이, 청색편이
⑵ 태양의 연주운동
① 연주운동 : 태양이 별자리 사이를 하루에 약 1°씩 서 →동으로 움직이는 시운동
○ 매우 멀리 있는 별자리는 공전에 따라 달리 보이는 효과가 적음
○ 지구가 서 → 동으로 공전함에 따라 태양도 서 → 동으로 시운동
○ 태양을 고정한다면 상대적으로 별자리가 하루에 약 1°씩 동 → 서로 시운동
○ 예 : 6월 낮 12시 정각 태양이 위치한 별자리는 황소자리
○ 예 : 6월 낮 12시 정각 동쪽 하늘에서 뜨고 있는 별자리는 사자자리
○ 예 : 3월 물병자리의 적경은 대략 0h, 6월 황소자리의 적경은 대략 6h
② 황도(ecliptic) : 태양의 연주운동 경로
○ 황도 12궁(Horoscope) : 황도에 위치한 12개의 별자리
○ 황도면과 천구의 적도면이 23.5°의 경사를 이룸
○ 일주운동에 의한 각속도 벡터와 태양 연주운동에 의한 각속도 벡터는 180° - 23.5°를 이룸
○ (주석) 춘분점을 06시, 하지점을 12시, 추분점을 18시, 동지점을 24시로 하고 나머지를 비례계산하여 나타낸 듯
○ (주석) 위 기술이 틀릴 수도 있음. 추후 수정 예정
③ 분점과 지점
○ 분점(equinox) : 황도와 천구 적도의 교점 (예 : 춘분점, 추분점)
○ 지점(solstice) : 태양이 천구의 적도에서 가장 멀리 떨어진 점 (예 : 하지점, 동지점)
○ 춘분점 : 적위 = 0°, 적경 = 0h
○ 하지점 : 적위 = 23.5°, 적경 = 6h
○ 추분점 : 적위 0°, 적경 = 12h
○ 동지점 : 적위 = -23.5°, 적경 = 18h
④ 태양의 고도 변화
○ 태양의 남중고도 (북반구 기준)
○ 수식 : h = 90° - Φ + δ (Φ : 위도, δ : 태양의 적위)
○ 남중고도는 지평선과 90°를 이루는 것. 동지보다 하짓날 가장 높음
○ 태양의 남중고도 (남반구 기준)
○ 수식 : h* = 90° - Φ* + δ*
○ h* : 남반구 기준의 태양의 남중고도
○ Φ* : 남반구 기준의 위도
○ δ* : 남반구 기준의 적위
○ 단위 면적에 도달하는 태양에너지
○ 태양의 고도가 h일 때 단위면적의 지면에 도달하는 태양에너지
○ 남중고도 시 에너지 E0와 sin h의 곱
○ 태양의 고도가 90°가 될 때(12시), 태양에너지량은 가장 큼
○ 계절에 따른 일조시간의 변화
○ 춘분 ~ 추분 : 낮 > 밤
○ 춘분날, 추분날 : 낮 = 밤
○ 추분 ~ 춘분 : 낮 < 밤
⑤ 계절의 변화
○ 원인 : 태양의 고도변화 및 일조시간 변화
○ 여름 : 북반구가 태양쪽으로 기울어 있음. 20°N 정도에서 태양광이 수직으로 입사
○ 겨울 : 남반구가 태양쪽으로 기울어 있음. 20°S 정도에서 태양광이 수직으로 입사
○ 종합적으로 적도에서 태양광이 가장 많이 집중되어 온도가 가장 높음
○ 북반구 기준, 겨울에 태양과 더 가까움 : 거리가 계절을 만들지 않음
⑶ 별의 연주운동
① 황도면 근처에 위치한 별은 직선에 가까운 형태로 나타남
② 황극 근처에 위치한 별은 원에 가까운 형태로 나타남
③ 1년 후 별이 동일한 위치에 있지 않는 경우 별은 고유 운동이 있는 것임
3. 지구의 운동 [목차]
⑴ 세차운동
① 일반적으로 일월세차를 지칭
○ 일월세차 : 태양과 달에 의한 세차운동
○ 행성세차 : 다른 행성에 의한 세차운동
② 세차운동 : 지구의 자전축이 황극을 중심으로 팽이운동을 하는 것
○ 23.5°의 각을 이룸
○ 동에서 서로 1년에 50"씩 회전 : 춘분점은 1년에 약 50"씩 황도를 따라 이동
○ 약 26,000년의 주기
③ 원인 : 달과 태양의 인력이 지구 적도 부근에 작용
④ 결과 : 23.5° 기울어진 지구 자전축을 수직으로 일으켜 세우려는 작용을 함
⑵ 세차운동의 결과
① 천구 북극의 이동
○ 천구의 북극은 황도 북극을 중심으로 시계방향으로 그리며 26,000년을 주기로 회전
○ 따라서 약 12,000년 후에는 천구 북극이 직녀성 부근에 위치하게 됨
② 춘분점의 이동 : 1년에 50"씩 이동(동 → 서) → 이에 천체적경값도 변함
③ 항성년과 태양년(회귀년)의 차이
○ 항성년 : 별자리를 기준으로 한 태양의 연동운동주기 = 365.2564일
○ 태양년(회귀년) : 춘분점을 기준으로 한 태양의 연동주기 = 365.2422일
○ 항성년이 태양년보다 긴 것은 세차운동으로 인한 춘분점의 이동 때문
⑶ 장동
⑷ 섭동
4. 지구의 시공간 [목차]
⑴ 시각
① 항성시와 태양시
○ 춘분점이 남중하는 주기(실제 지구 자전 주기)를 항성일, 그 시간각을 항성시라 함
○ 시간각 : 천체가 남중한 후 지난 시간이자 남중 자오선과 천체 시간권의 각임
○ 태양일 : 태양이 남중하는 주기, 1 시태양일은 일정하지 않으나 그것의 1년 평균값, 즉 1 평균태양일(24시간)을 기준으로 함
○ 태양시 = 태양의 시간각 + 12시
○ 균시차는 시태양시 - 평균태양시로 황도경사 및 지구 공전속도가 일정하지 않아서임
○ 균시차 (+) : 정오의 태양이 자오선에서 서쪽으로 치우쳐 있을 때
○ 균치차 (-) : 정오의 태양이 자오선에서 동쪽으로 치우쳐 있을 때
② 표준시
○ 지방시 : 평균태양이 그 지방 자오선에 남중했을 때를 12시로 정한 시간
○ 표준시 : 15° 간격으로 정한 그 지역 표준 자오선에 태양이 남중 시 12시로 한 것
○ 세계시 : 영국 그리니치 천문대의 지방시
○ 날짜변경선
○ 대략 동·서경의 180°의 자오선
○ 동(서경) → 서(동경)일 때 하루가 늘고 서(동경) → 동(서경)일 때 하루가 줄어듦
⑵ 위치
① 경도의 결정 : 경도는 그리니치 자오선을 0°로 하고, 동으로 180°, 서로 180°를 설정
○ 남중하는 두 별을 이용한 방법 : L, G(그리니치) 두 지방에 각각 A, B 동시 남중일 때
○ L의 경도 = (별 A의 적경 - 별 B의 적경) × 15° / 시 = (L의 항성시 - 그리니치 항성시) × 15° / 시
○ L > 0 : 동경, L < 0 : 서경
○ 한 별의 남중 시각차를 이용한 방법 : 한 별이 L시와 G시에 남중했다면
○ L의 경도 = (G시 - L시) × 15° / 시
○ L > 0 : 동경, L < 0 : 서경
② 위도의 결정
○ 북극성의 고도 = 위도
○ 남중고도 : h = 90° - Φ + δ에서 Φ가 천정의 적위임
⑶ 책략
① 태음력 : 달의 위상변화 주기(삭망월)인 29.5일을 한 달로, 1년 354일
○ 메톤 주기 : 19년에 7번 윤달을 두어 계절과 맞추는 것
○ 24절기 : 태양의 황도상 위치를 기준으로 1회귀년을 24등분하여 계절을 나타냄
② 태양력 : 태양을 기준으로 한 것으로 계절과 잘 맞음
○ 율리우스력 : 1년을 365.25일로 두어 4년마다 윤년을 둠
○ 그레고리력
○ 율리우스력이 오차가 생기자 이를 맞추기 위해 교황 그레고리 13세는 새로운 역법을 발표함
○ 4로 나누어지는 해를 윤년으로 하되 그 중 100으로 나누어지나 400으로 나누어지지 않는 해를 평년으로 함
○ 이 역법은 1년을 365.2422일로 오차가 0.0003일이 됨
입력: 2019.03.23 00:55
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