| [ garbages ] in KIDS 글 쓴 이(By): limelite (a drifter) 날 짜 (Date): 2011년 05월 05일 (목) 오후 01시 37분 12초 제 목(Title): 계절이 바뀌는 이유와 근본 원인? 어나니 질문자가 정북이 뭐냐고까지 물으니까, 굉장히 심도 있는 질문인지, 아니면 아무 개념 없는 질문인지 헷갈리는데... ?!? 계절의 원인이 되는 지구 자전축과 그 기울음에 대해서 복잡하게 생각할 필요 없습니다. 간단하게 팽이 도는 것하고 비슷하게 지구 자전과 자전축 기울기를 해석한다고 보면 됩니다. 1. 평균 자전축 안정적으로 도는 팽이를 보면 회전축이라는 것이 보이잖아요? 자세히 보면 회전축이 미세하게 흔들리기는 하는데, 그 흔들림을 평균해서 어떤 고정된 회전축을 정하는 것이 가능하게 보이죠. 지구의 자전도 마찬가지입니다. 지구도 자전하면서 미세하게 흔들리기는 하는데 크게 보면 평균적으로 자전축이라는 것을 정할 수 있어요. 이게 방위의 기준(평균 자전축 북극 방향이 북쪽)이 되고 시간의 기준(평균 자전축을 중심으로 1회전하면 1日)이 되는 거죠. 그럼, 지구의 평균 자전축을 실제로는 어떻게 정하나? 사실 이건 굉장히 까다로운 문제입니다. 팽이 회전축의 움직임도 크게 보면은 평균을 낼 수 있는 게 당연하게 보이지만, 미세하게 보면 불규칙적으로 움직이잖아요. 팽이 내부적인 원인으로는 실제 팽이의 무게 분포가 완벽한 회전대칭이 아니라 불규칙 적이고, 팽이 외부적인 원인으로는 팽이가 돌고 있는 지표면이 불규칙 해서 팽이가 회전하면서 영향을 받기 때문입니다. 지구도 마찬가지여서 자전축의 움직임이 거시적으로 보면 상당히 균일한데, 미세하게 보면 사실상 예측 불가능하게 불규칙적입니다. 지구 자체적인 불규칙의 원인으로는 지구의 무게 분포가 불규칙적인 면도 있고, 작게는 해수나 대기 같은 유체부터 지각-맨틀-핵 물질의 유동성으로 무게 분포가 계속 변하기도 하죠. 지구 외적인 불규칙의 원인은, 불균일한 지구 물질 분포에 외부 천체의 중력이 작용하기 때문에 발생합니다. 영향을 미치는 대표적인 외부 천체는 태양과 달인데, 목성-토성-금성-화성 같은 태양계의 다른 행성도 영향을 미칩니다. 이러니 지구 자전축에 대해 대략 평균을 구하는 것은 그리 어렵지 않지만 (거시적으로는 지구 자전축의 운동이 상당히 균일하기 때문에), 엄밀하게 정하는 것은 매우 복잡한 학문적/과학적 주제입니다. 구체적인 방법은 제 분야도 아니고 해서 저도 대충 아는데, 불규칙적인 지구 자전축의 미세운동과 그 변화를 기록하고, 이를 이용해 지구 운동 모델을 만들어서 평균을 구하고 예측도 한다, 이 정도입니다. 간단히 정리해서 이야기하면... 고대부터 인류 문명이 지구 자전 방향, 자전축의 기울기 등등에 대해서 직관적인 이해를 가지고, 이에 따라 자전축의 방향과 자전하는 시간을 정해왔는데, 이런 직관적인 이해는 지구의 자전 운동이 거시적으로는 상당히 균일하고, 따라서 "고전적 일상생활에 지장 없을 정도의 정밀도"로는 쉽게 평균 자전축을 정할 수 있었던 것에 근거한다는 겁니다. 하지만, 세밀하게는 지구 자전 운동이 예측 불가능하기 때문에, 높은 정밀도로 지구 자전축의 움직임과 평균을 구하는 것은 매우 어려운 문제이고, 관련 분야 과학자들이 열심히 연구분석해 이를 수행하고 있습니다. 2. 자전축의 기울기와 세차운동 이것도 관련된 지구의 운동이 거시적으로 상당히 균일하기 때문에(미시 적으로는 이런저런 이유로 불규칙하지만), 쉽게 팽이 운동과 마찬가지로 해석하면 됩니다. 팽이의 회전을 보면, 보통은 회전축이 기울어 있고, 기울은 회전축이 천천히 또 다른 회전운동을 하잖아요. 마찬가지로 지구의 자전축도 기울어 있고, 기울은 자전축이 또 천천히 회전운동을 하는 것이죠. 이를 세차운동이라고 합니다. 그러면, 팽이의 회전축이 기울은 것을 아는 기준은 팽이가 돌고 있는 바닥 면인데, 지구의 회전축의 기울음을 정하는 기준은 무엇일까? 지구의 공전궤도면입니다. 어찌보면 당연하죠? 계절 변화는 지구 자전축이 기울음 때문만으로 발생하는 것이 아니라, 자전축이 기울은 체로 지구가 태양을 공전하기 때문에 발생하는 것이니까요. 지구의 공전 운동도 미시적으로는 태양-달-다른행성의 중력 작용 영향으로 요동과 불규칙성이 있지만 거시적으로는 상당히 균일하므로, 직관적인 수준에서는 그리 어렵지 않게 지구의 평균 공전궤도와 공전축, 공전궤도면을 정할 수 있습니다. 이를 이용해 지구 자전축의 기울음도 대략 정할 수 있습니다. 평균 공전궤도를 정밀하게 정하는 것은 역시 꽤나 까다로운 이야기구요. 지구의 평균 공전궤도는 지구 하늘에서 황도라는 원으로 나타납니다. 지구가 공전하는 것이 지구 하늘에서는 태양이 황도 상을 움직이는 것처럼 보이게 되죠. 태양의 황도 상의 움직임은 고대부터 지구 문명이 잘 알던 사실입니다. 그 근본 원인은 근대 천문학이 발달하기 전까지는 잘 몰랐지만요. 지구 하늘에서 보이는 지구 자전축의 움직임과 세차운동을 설명하면, 지구 자전축의 양극(북극, 남극)은 지구 공전축의 양극 즉 황극에 대해 약 23.5도 떨어져 황극을 중심으로 천천히 회전하는 것으로 보이게 되죠. 지구 하늘에서 보이는 세차운동의 형태를 최초로 제대로 이해한 사람은 고대 그리스의 천문학자 히파르코스(190~120BC)라고 알려져 있습니다. 히파르코스의 저작물이 직접 전해지는 것은 아니지만 후대 알렉사드리아의 천문학자 프톨레마이오스(90~168AD, 고대 그리스 천문학을 집대성하고 천동설을 확립한)의 저작물에 의하면, 히파르코스가 지구 북극이 황북극을 중심으로 대략 36000년 정도의 주기로 회전함을 밝혀냈다고 합니다. 황북극은 별자리 용자리 중심부에 위치하며, 현대에 산출된 좀 더 정확한 세차운동 주기는 약 25772년입니다. 그리고, 지구 자전축의 기울음도 고정되어 있지 않고, 대략 22~25도 사이에서 변한다고 합니다. 3. 지구 자전축이 기울은 근본 원인? 계절이 생기는 원인은 지구 자전축이 기울은 상태에서 지구가 태양을 공전하기 때문인데요. 그럼 지구 자전축은 왜 기울었을까요? 태양계의 여러 천체를 보면 자전축이 기울지 않은 천체가 없습니다. 따라서, 지구 자전축이 기울은 것도 이상한 일은 아닙니다. 하지만, 과학자들은 이렇게 넘어가지 않고, 좀 더 구체적으로 지구 자전축이 기울은 원인을 찾고 있습니다. 현재까지 지구 자전축이 기울은 원인에 대한 가장 유력한 과학적 가설은 대충돌설입니다. 태양계의 기원을 연구하는 천문학에 의하면 태양계의 행성들은 태양을 중심으로 원반처럼 돌던 가스와 암석들 속에서 이들이 뭉쳐 생겨 났다고 보고 있습니다. 초기 태양계에는 태양을 중심으로 회전하는 가스와 암석으로 이뤄진 '큰 원반'이 있었는데, 이 큰 원반의 내부 물질이 불균일하게 분포해서, 큰 원반 내부에 또 다른 '작은 원반'이 생겨났고(큰 소용돌이 내부에 작은 소용돌이가 생기는 것처럼), 큰 원반의 가스와 물질이 뭉쳐 태양이 생겨났듯이 작은 원반에서 가스와 암석이 뭉쳐 행성들이 생겨났다는 것이죠. 그런데, 쉽게 추정할 수 있듯이, 초기 태양계는 지금 태양계처럼 깨끗하지가 않았습니다. 행성이 지금처럼 8개(명왕성이 왜행성으로 빠졌으니까)로 정해진 것도 아니라 더 많은 행성급 천체가 있었고요. 행성과 행성 사이 공간도 지금처럼 깨끗하지 않고 아직 결합하지 못한 잔해들이 많이 떠돌아다니고 있었습니다. 현재까지 천문학자들의 추정에 의하면, 초기 태양계에는 지구 근처에 화성 정도 크기의 또 다른 행성급 천체가 지구와 비슷한 궤도에서 공전하고 있었다고 합니다. 그러다 결국 약 45억년 쯤 전에 두 천체가 충돌합니다. 이 충돌의 결과로 엄청난 대격변이 생겼습니다. 먼저 지구 지각이 타버린 정도가 아니라 지구와 충돌행성의 물질이 타서 녹아 벗겨져 나갑니다. 녹아서 벗겨져 나간 지구와 충돌행성의 물질 중 일부가 지구 주위를 떠돌다가 다시 뭉쳐서 달이 되었습니다. 다른 행성에는 없는 유난히 큰 위성인 달은 이렇게 생겨난 것입니다. 이 대충돌은 달을 만들었을 뿐 아니라, 지구에도 큰 변화를 주었 습니다. 먼저, 초기에는 지구 공전축과 엇비슷하던 지구 자전축이 23.5도 정도로 기울었구요. 또한, 충돌에 의한 열로 지구가 녹았다가 다시 굳는 사이, 지구 구성 물질도 재배치 되어 철처럼 무거운 물질은 지구 핵으로 가라앉았습니다. 달이 태어났을 뿐 아니라 지구도 사실상 재탄생한 것입니다. 참고로 적으면, 이 대충돌은 생명, 이 글의 주제에 맞게 해석하면 계절의 변화를 감지할 수 있는 존재가 지구에 탄생하는 데에도 거의 축복과 같은 역할을 했습니다. 첫째로, 지구 자전축을 적당히 기울게 해 계절의 변화도 적당하게 만들었습니다. 지구 자전축이 더 심하게 기울었다면 더 극심한 계절 변화가 생겨 생명에게 더욱 혹독한 자연 환경이 되었겠지요. 예를 들어, 지구 자전축이 90도 가까이 기울었다면, 지구상 상당수 지역은 남극 이상으로 추운 겨울과 열대지방 이상으로 더운 여름이 교대하는 극심한 계절 변화를 겪게 되었을 것입니다. 둘째로, 지구 내부에 철과 같은 물질이 가라앉아 녹은 상태로 존재 하면서 지구는 크기에 비해 강한 자기장을 가진 행성이 되었습니다. 지구 자기장은 태양으로부터 날아오는 물질(태양풍)의 충돌을 막아줘 지구 대기권을 보호하는 역할을 합니다. 대기권이 안정되면서 생명 탄생과 유지에도 안정된 환경이 되었던 겁니다. 화성의 경우, 지구 보다 크기도 작지만 액체금속 핵이 없어 자기장이 더욱 작습니다. 그래서 화성의 대기는 태양풍에 침식을 많이 받습니다. 세째로, 대충돌의 결과 탄생한 달이 미치는 중력 덕분에 지구 자전 축의 요동이 극적으로 줄었습니다. 다시 팽이의 예를 들면, 팽이 내부에 액체 같은 유체가 들어있는 상태에서는 회전축의 유지가 불안정하고 거기에 외부 충격까지 가해지면 팽이 회전축이 상당히 크고 불규칙하게 요동치는 것을 볼 수 있는데요. 마찬가지로 지구도 내부 핵에 거대한 액체금속 유체가 있고 태양이나 다른 행성의 중력 작용을 받으므로, 자전축이 크게 뒤틀릴 수 있다고 합니다. 그런데, 달의 중력이 잡아줘서 지구 자전축이 안정된다는 거죠. 네째로, 지표면에 바다를 만들었습니다. 대충돌의 엄청난 열로 암석 속에 있던 수분이 증발하여 지구 대기로 방출되었다가, 충돌의 열이 식자 비처럼 내려 바다를 이뤘다는 겁니다. 그런데, 액체 표면인 바다가 지구에 유난히 크게 생성된 원인에 대해서도 가설이 많고, 그 중 어느 것이 뚜렷하게 유력하지는 않습니다. 대충돌의 결과라는 설과 함께, 바다의 수분이 혜성과 같은 외부 천체의 지속적인 충돌에 의해 조달되었다는 의견도 상당히 크게 고려되고 있기도 합니다. (두가지 모두 이유일지도) 다섯째로, 대충돌로 원시지구의 대기 조성도 바뀌었고, 원시생명체가 탄생하기 좋은 조건이 되었습니다. 초기 원시 생명체의 흔적은 대충돌의 열이 식어 지표면에 바다가 유지될 정도가 된지 얼마 지나지 않아서부터 발견되고 있습니다. 태양계의 다른 행성이나 천체를 보면 지금까지 발견되지 않을 정도로 생명체의 흔적을 찾기가 매우 어려운데, 그에 비하면 지구는 생명체가 발생하기 매우 쉬운 환경으로 변했던 거죠. 물론, 한 번의 대충돌로 이 모든 것이 이뤄졌는지, 일련의 대충돌이 여러 번 거듭된 결과인지는 확실히 알 수 없습니다. 현재까지는 한 번의 대충돌의 결과라고 보는 것이 더 나은 해석이고, 이를 지지하는 과학적 근거들이 계속 나오는 중 입니다. 애초, 달의 기원과 관련된 여러 가설 중 대충돌설은 다소 허무맹랑하게 여겨 졌는데, 1970년대 아폴로 우주선이 실제로 달의 암석을 채집해 가져온 다음, 이를 분석한 결과를 근거로 유력한 가설로 급부상 했습니다. 아마도 어나니 질문자는 이렇게까지 기대하진 않았을 겁니다. 그렇지만 "계절의 변화는 왜 생겼을까?"라는 단순한 질문에는 이렇게 복잡하고 다양한 얘기거리가 있었던 거죠 ^^ (그나마 이것도 천체 움직임을 측정하는 고정된 기준을 정하는 것, 세차운동의 효과 등등의 얘기는 뺀 것임 -_-) ............................................................................... a drifter off to see the world there's such a lot of world to see |