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자전
자전(自轉, Rotation)은 천체(天體)가 스스로 고정된 축을 중심으로 회전함을 의미한다. 또는 그런 운동을 말한다.
개요
자전은 천체가 자기 자신을 중심으로 회전하는 운동이다. 따라서 천체(天體)가 스스로 고정된 자신의 중심축을 중심으로 회전하는 또는 그런 운동을 가리킨다. 대부분의 천체는 자전하고 있다. 태양이나 다른 항성들은 자전하고 있으며 블랙홀도 자전하고 있음이 확인된 것이 있다. 또한 펄사는 고속으로 회전하는 중성자별로 생각된다. 태양계에 있는 모든 천체들은 자전과 공전을 한다. 태양계뿐만 아니라 다른 항성들이나 떠돌이 행성, 블랙홀 또한 마찬가지다. 심지어 오르트 구름의 창안자 얀 오르트에 의해 은하도 자전과 공전을 하는 것으로 밝혀졌다.
천체의 자전 중심이 되는 축을 자전축이라고 하며, 자전축을 따라 1회전하는 데 걸리는 시간을 자전 주기라고 한다. 이때 자전 주기는 자전 주체가 360도 회전하는 시간이며, 어느 다른 천체를 향해서 같은 방향을 가리킬 때까지의 시간은 아니다. 자전하는 이유에 대한 유력한 가설은 항성과 행성이 형성되었을 때의 흔적이라는 것이다. 이들 천체는 가스 구름이 서로 뭉치면서 형성된 결과물인데 이 가스 구름은 소용돌이 치는 형태로 빙글빙글 돌면서 뭉친다. 마침내 모든 물질들이 뭉치면 하나의 천체가 되는 데 이 천체가 형성되는 과정에서의 빙글빙글 도는 운동을 관성의 법칙에 의해 가지기 때문에 계속 끝없이 돌게 되는 것이다. 초기 가스 구름의 회전이 매우 느리다 하더라도 가스가 뭉쳐 천체가 되는 과정에서 각 운동량 보존 법칙에 의해 회전 속도는 매우 빨라진다. 이를 자전이라고 부른다.[1][2]
특징
지구의 자전은 지구가 남극과 북극을 잇는 선을 축으로 반시계 방향으로 회전하는 현상이다. 밤과 낮이 발생하는 원인이며, 별의 일주운동(diurnal motion)으로 나타난다. 태양을 기준으로 했을 때 24시간마다 한바퀴씩 돌지만, 별을 기준으로 하면 23시간 56분 4초마다 한바퀴씩 회전한다. 자전 속도는 달(the Moon)의 조석력(tidal force) 때문에 계속 느려지고 있다. 원자 시계를 기준으로 하는 현대적 하루를 기준으로 하면 1세기 전 하루의 길이는 현재보다 약 1.7 밀리초 짧다.
필로라우스(Philolaus)처럼 지구가 자전한다고 제안한 고대 그리스 철학자가 없었던 것은 아니다. 하지만 고정된 지구를 중심으로 회전하는 구라고 일주운동을 설명한 아리스토텔레스(Aristotle)의 생각은 서양 세계에서 오랫동안 받아들여졌다. 서기 499년 인도의 천문학자 아리아바타(Aryabhata)가 지구의 자전을 주장하기도 하였고, 중세 아랍 천문학자들은 지구의 자전을 받아들인 것 같다. 서양에서는 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)가 태양중심설을 제안하던 16세기가 되어서야 비로서 지구의 자전이 과학적으로 논의되기 시작했다.
관측적인 면에서는 뉴턴(Issak Newton)이 예측했던 납작한 지구의 모양을 확인한 1730년대 프랑스의 모페르투이(Pierre Louis Moreau de Maupertuis)가 크게 기여하였다. 1851년에 진자의 회전면이 회전한다는 것을 보인 푸코(Jean Bernard Léon Foucault)가 지구 자전의 결정적인 증거를 제시하였다. 지구의 자전 때문에 진자의 회전면이 위도에 따라 다른 속도로 회전한다는 것을 명확하게 증명하였기 때문이다.[3]
지구의 자전
지구의 자전이란 지구가 (북반구에서 남반구를 내려다 보았을 때) 자전축을 중심으로 하루에 한 번씩 서쪽에서 동쪽으로(시계 반대 방향으로) 도는 운동을 말한다. 지구가 자전하는 속도는 어마어마하게 빠르다. 적도 부근에서는 약 시속 1,674km/h이다. 환산하면 약 초속 465m/s, 즉 1초에 465m를 간다. 이는 한 1시간에 15.04°씩 회전하는 것과 같다. 흔히 생각하는 것과 다르게, 지구 자전 주기는 하루 24시간에 약 4분 정도 못 미치는 23시간 56분 4.091초(약 23.9345시간)이다. 왜냐면 자전 한 바퀴와 하루를 혼용해서 쓰긴 하지만 엄밀히 말하자면 둘의 기준이 다르기 때문이다. 자전은 우주 공간의 3차원 좌표에서 지구라는 구체가 1회전 하는데 걸리는 시간이지만, 하루는 지표면의 한 지점에서 보기에 태양이 어제와 같은 위치에 오는 데 걸리는 시간인데(엄밀히 말하면 균시차 등도 고려해야 하나 생략), 지구는 자전과 동시에 공전도 하기에 자전 1회전 후에 공전이 진행된 만큼 약간 더 자전해야만 지표면을 기준으로 태양이 다시 같은 자리에 온다.
또한, 지구의 자전 주기는 100,000년마다 대략 1초 늘어나며, 결과적으로 지구의 시간도 1초씩 짧아진다. 하지만 점점 느려지며 하루는 100년에 0.002초씩 길어진다는 연구결과가 있다. 하지만 2011년 도호쿠 대지진으로 인해 자전 속력이 아주 조금 빨라졌다. 약 70억 년 뒤쯤이면 지구의 자전이 멈춘다는 계산이 있지만, 이건 지구가 존속한다는 전제하에 해본 의미 없는 계산이니 그냥 무시하자. 지구 자전이 멈출 수 있는 시간보다 한참 전에 지구는 증발해서 없어지며, 그 증발하기 수억~수십억 년 전에 이미 그 어떤 생물도 살 수 없는 행성이 되어서 다 죽든지, 다 떠나든지 둘 중 하나가 되어있을 것이다. 다시 말해 지구는 없어지기 전까지 계속 자전한다. 현재 태양의 크기는 지구와 태양 표면 사이의 평균 거리의 약 1% 정도 되지만, 태양 크기는 커지고 거리는 줄어들기에 나중에는 2% 이상이 된다.[1]
자전의 증거
푸코는 1851년 파리의 판테온 사원의 천장에 길이 67m의 추를 달고 진동시켰다. 진자의 진동면은 시계 방향으로 조금씩 이동하여 한바퀴를 돌았다. 진자는 관성에 의해 자신의 운동 상태를 유지하려고 하기 때문에 진자의 진동면이 회전한다는 것은 관찰자가 회전하고 있다는 증거가 된다. 지구 자전의 또 다른 증거는 전향력이다. 전향력(Corioli's force)은 지구에서 운동하는 물체의 진향방향이 북반구에보면 오른쪽으로, 남반구에서 보면 왼쪽으로 치우쳐 보이게 하는 가상의 힘이다. 외부의 힘이 작용하지 않았는데 물체의 진향 방향이 휘어지는 것은 지구가 정지해 있고 천구가 회전한다면 설명할 수 없는 현상이다. 극궤도(polar orbit)를 돌고 있는 인공위성의 궤도는 관성계에서는 변함이 없지만, 지구에서 관찰하는 관측자에게는 궤도면이 서쪽으로 이동하면서 도는 것처럼 보인다.이것 역시 지구 자전에 의해 나타나는 현상이다.[3]
자전에 의해서 일어나는 현상
- 밤과 낮
- 전향력
지구 자전이 멈추면
종종 픽션에서 초월적인 존재가 자전을 멈추느니 마느니 하는데, 자전이 멈추는 순간 인류 문명은 말 그대로 초토화된다. 만일 순간적으로 자전이 멈춘다면? 지표면 위의 모든 것은 관성으로 인해 시속 1,680km의 속도로 내팽개쳐지며(적도 기준) 박살 날 것이다. 자동차 충돌 사고가 일어나면 튕겨 나가는 것과 비슷한 원리다. 버스가 시속 100km 속도로 달리다가 갑자기 급정거를 해버리면 서 있는 사람들은 물론 앉아있는 사람도 앞으로 튕겨 나가는 거랑 똑같은 원리이다. 그렇다면 관성 문제가 발생하지 않는 한에서 자전이 멈춘다면 NGC에서 2012년 방영한 인류멸망이라는 프로에서 이것을 다뤘다. 멈추는 과정에서의 생기는 문제로 먼저 지구의 구성층이 멈추는 중에 충돌을 일으키면서 지진이 많아진다. 그리고 원심력이 사라지면서 적도 근처에 있던 대량의 바닷물이 북극과 남극쪽으로 이동하면서 세계지도가 완전히 바뀐다. 북극에는 엄청난 깊이의 바다만이 생기고 적도에는 큰 대륙이 생기는데 대부분의 지역이 매우 높은 고도로 공기가 희박해진다. 덕분에 인류가 생존할 수 있는 구역이 점점 줄어 그 중간 위도에만 한정되게 된다.
자전이 완전히 멈춘 다음에는 문명의 붕괴를 넘어서 생존에 급급한 상황이 된다. 밤과 낮의 변화를 오로지 공전에 의존해야하기 때문에 밤과 낮이 6개월마다 바뀜으로써 겨울에는 엄청나게 춥고 여름에는 엄청 더운 혹독한 날씨가 된다. 또 다른 심각한 문제로 대기의 이동이 거의 멈추게 된다.(무역풍 같은 것들은 지구의 자전에 의해 생긴다.) 이 결과 내륙지방에는 비가 안와서 가뭄으로 인간의 생존이 불가능해진다. 그나마 생존이 가능한 해안은 엄청난 폭우가 옴으로써 더 혹독한 날씨가 된다. 많은 사람이 사망할 것으로 예상되고 생존자들도 좁은 해안가에서 혹한의 날씨를 견디면서 생존에만 급급한 상황이 된다. 이후 달의 기조력이 지구의 자전을 늦추는 것이 아니라 반대로 가속시키게 되고, 달은 더 이상 지구한테서 멀어지지 않으며, 달의 중력이 지구를 잡아당기게 되어 시간이 지나면 지구는 다시 자전하기 시작할 것이다. 하지만 이렇게 원상복귀가 되기까지는 수없이 많은 세월을 기다려야 할 것이다.[1]
자전과 공전
태양계(solor system)에서 지구인의 기준으로 태양 및 태양계의 일부 행성들은 마찬가지로 서쪽에서 동쪽으로(시계 반대방향) 각기 다른 자전주기에서 자전하고 있다. 금성은 이와는 반대로 시계방향으로 자전하고있는 것으로 알려져있다. 한편 자전축의 기울기나 자전의 방향과 자전의 속도는 우주 및 항성 시스템 생성시의 중력과 밀접한 관련이 있지만 이후 추가적으로 다른 우주 운석(space rocks)이나 혜성과의 충돌로 인해서도 영향을 받는것으로 과학자들은 보고있다.[2]
동영상
각주
참고자료
같이 보기
