***2018년에 정리한 내용입니다***
지구과학1
04. 다가오는 지구
1. 천체 관측
1] 별자리와 지구의 운동
1. 천구와 천구의 구조
1) 천구와 천구의 구조
- 관측자를 중심으로 할 때, 하늘에 있는 반지름이 무한대인 가상의 구
① 천정 / 천저
- 관측자의 연직선이 위, 아래쪽에서 천구와 만나는 두 점 (관측자 위치에 따라 달라짐)
② 천구의 북극 / 남극
- 지구의 자전축을 연장한 선이 천구와 만나는 두 점
③ 천구의 적도
- 지구의 적도면을 연장하여 천구와 만나는 선
④ 지평선
- 관측자가 위치한 지평면을 연장하여 천구와 만나는 선
⑤ 수직권
- 천정과 천저를 지나는 대원 (천정과 천저를 지나가기만 하면 되기 때문에 여러 개일 수 있다)
⑥ 시간권
- 천구의 북극과 천구의 남극을 지나는 대원 (여러 개일 수 있다)
⑦ 자오선
- 천정과 천저, 천구의 북극과 남극을 모두 지나는 대원 (관측자 입장에서 한 개다)
⑧ 북점 / 남점 / 동점 / 서점
- 북점 : 천구의 북극과 가장 가까운 지평면의 점
- 남점 : 천구의 남극과 가장 가까운 지평면의 점
- 동점과 서점 : 북점과 남점에서 지평선을 따라 90˚ 거리에 있는 점
■ 천정과 천구의 북극이 한 점이 되는 곳 → 북극으로 가면 된다.
■ 천정과 천구의 남극이 180˚가 되는 곳 → 북극성 아래(북극)
2) 지구의 자전과 천체의 일주운동
- 지구는 자전축을 중심으로 반시계 방향(서 → 동)으로 자전
(1) 천체의 일주운동
- 자전축을 중심으로 천구 상을 동 → 서로 움직이는 것처럼 보이는 현상
- 지구가 한 번 자전(360˚)하는데 24시간이 걸리므로, 1시간에 15˚ 움직임 (=15˚/1h)
(→ 실제로는 천체가 움직이는 것이 아니라 지구가 자전하기 때문에 나타나는 겉보기 운동)
(2) 위도에 따른 일주운동의 모습
- 일주권 : 천체가 천구 상에서 일주운동을 하는 경로
- 일주권은 자전축에 수직하며, 천구의 적도와 평행
■ 출몰성 : 떴다 지는 별, 예시) 태양
■ 주극성 : 항상 떠 있는 별, 예시) 북극성
■ 전몰성 : 항상 져 있는 별, 예시) 남극성
① 적도지방
② 중위도지방 (북반구)
③ 북극지방
■ 우리나라(중위도)에서 본 방위별 일주운동
| 북쪽(반시계방향) | 동쪽(↗) | 서쪽(↘) | 남쪽(→) |
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3) 지구의 공전과 태양의 연주운동
- 지구는 태양을 중심으로 1년에 한 바퀴 반시계 방향(서 → 동)으로 공전
(1) 태양의 연주운동 (별자리 기준)
- 태양이 천구 상에서 별자리 사이를 반시계 방향(서 → 동)으로 이동하며 1년마다 천구를 한 바퀴 도는 현상
- 태양이 한 번 공전(360˚)하는데 1년(365일) 걸리므로, 1일에 약 1˚씩 움직임 (= 1˚/1일)
(→ 실제로는 태양이 움직이는 것이 아니라 지구가 공전하기 때문에 나타나는 겉보기 운동)
(2) 황도
- 태양의 연주운동을 하면서 천구 상에서 이동하는 길 (적도와 23.5˚ 기울어져 있음)
- 황도 12궁 : 황도 주변의 12개 별자리
- 태양이 있는 달(월)의 별자리는 볼 수 없다.
(3) 별의 연주운동
- 별이 천구 상에서 태양을 기준으로 하여 시계(동 → 서) 방향으로 이동하는 현상
- 1일에 약 1˚씩 움직임 (= 약 1˚/일)
■ 태양과 별의 연주운동 차이
① 태양 (별 기준) : 매일 서 → 동 1˚씩 이동
② 별 (태양 기준) : 매일 동 → 서 1˚씩 이동
2] 천체의 위치와 좌표계
1. 지평 좌표계
- 관측자의 지평면과 북점 또는 남점을 기준으로 한 좌표계
① 방위각 (A) (0˚ ~ 360˚)
- 북점 또는 남점으로부터 천체의 수직권까지 시계방향으로 잰 각거리
② 고도 (h) (0˚ ~ 90˚)
- 지평면에서 천체까지 수직으로 잰 각거리
③ 천정거리 (z) (0˚ ~ 90˚)
- z = 90 - h
- 장점 : 관측자 중심이어서 천체를 바로 가리킬 수 있다
- 단점 : 단측자의 위치, 시간에 따라 천체의 위치가 달라짐
2. 적도 좌표계
- 천구의 적도면과 춘분점을 기준으로 한 좌표계
① 적경 (α) (0 ~ 24h)
- 춘분점으로부터 반시계 방향으로 잰 각거리
② 적위 (δ) (0˚ ± 90˚)
- 천구의 적도면으로부터 천체까지 수직으로 잰 각거리
- 장점 : 천체의 일주운동이나 관측자의 위치와 관계없이 천체의 적경, 적위는 항상 일정
- 단점 : 관측자 중심이 아니라 사용하기 어려움
3. 좌표계에서 천체의 움직임
1) 관측자의 위도 = 북극성의 고도
2) 주극성, 출몰성, 전몰성의 적위 범위
3) 남중고도
- 천체가 일주운동 간에 가장 높은 위치에 있을 때의 고도
- 정남 쪽에 위치했을 때의 고도
4) 춘하추동
- 태양은 항상 적경이 증가하는 방향(반시계 방향)으로 이동
5) 계절별, 위도별 일주운동
6) 적위가 큰 별의 특징
(적경 : A = B / 적위 : A > B)
적위가 큰 별은
① 지평선 위에 오래 떠 있다.
② 남중고도가 높다.
③ 먼저 뜨고 늦게 진다.
7) 적경이 큰 별의 특징
(적위 : A = B / 적경 : A > B)
적경이 큰 별은
① 늦게 뜬다.
② 늦게 남중한다.
③ 늦게 진다.
3] 행성의 운동
1. 태양계 관련 이론
1) 프톨레마이오스의 천동설 (지구중심설)
- 지구가 우주의 중심이며, 태양, 달, 행성들이 지구 주위를 공전 (이심원)
- 지구는 자전하지 않음
① 주전원
- 행성들은 주전원을 돌고, 주전원의 중심은 지구 주위를 공전
- 행성의 역행 설명 가능
② 수성과 금성의 중심은 태양과 지구를 잇는 선 위에 위치
- 수성, 금성의 최대이각 설명 가능
■ 이각 : 태양 - 지구 - 행성 사이의 각도
→ 별의 연주시차 / 목성의 4대 위성 / 금성의 보름달 : 설명이 불가능!
2) 코페르니쿠스의 지동설 (태양중심설)
- 태양을 중심으로 하여 지구를 포함한 행성들이 원 궤도로 공전
- 지구는 하루를 주기로 자전하며, 달은 지구의 주위를 공전
① 태양에서 멀리 떨어진 행성일수록 느리게 공전
- 행성의 역행 설명 가능
② 수성과 금성은 지구보다 안쪽 궤도에서 공전
- 수성, 금성의 최대이각 설명 가능
→ 별의 연주시차 / 목성의 4대 위성 / 금성의 보름달 : 설명 가능!!!
3) 티코브라헤의 절충설
- 지구는 우주의 중심으로 자전과 공전을 하지 않고, 지구 주위를 달, 태양, 별들이 하루에 한 바퀴를 돈다.
- 수성, 금성, 화성, 목성, 토성은 태양을 중심으로 공전한다.
- 지동설에서 주장하는 연주시차를 망원경을 통해 실제로 알아보기 위해 관측하였으나, 연주시차를 확인하는 것에 실패하여 천동설과 지동설을 절충하는 이론을 제시
→ 별의 연주시차 : 설명 불가능
→ 목성의 4대 위성 / 금성의 보름달 : 설명 가능
| 설명 가능 여부 | 천동설 | 지동설 | 절충설 |
| 행성의 역행 | O | O | O |
| 내행성 최대이각 | O | O | O |
| 별의 연주시차 | X | O | X |
| 목성의 4대 위성 | X | O | O |
| 금성의 보름 | X | O | O |
| 구분 | 천동설 | 절충설 | 지동설 |
| 우주의 중심 | 지구 | 지구 | 태양 |
| 행성의 역행 현상 | 설명 가능 | 설명 가능 | 설명 가능 |
| 내행성의 최대 이각 | |||
| 금성의 보름달 모양 위상 | 설명 불가 | ||
| 연주 시차 | 설명 불가 |
2. 행성들의 겉보기 운동
1) 내행성의 운동
① 내행성의 위치
- 내합, 외합 : 이각 0˚
- 동방최대이각, 서방최대이각 : 수성 28˚, 금성 48˚
② 내행성의 관측
| 내합, 외합 | 6시 ~ 18시까지 하늘에 있으나 관측 불가 |
| 서쪽 방향 | 새벽 동쪽하늘에서 관측 가능 (해뜨기 직전) |
| 동쪽 방향 | 해지고 난 직후 서쪽하늘에서 관측 가능 |
| - 수성 : 최대 약 2시간 관측 가능 - 금성 : 최대 약 3시간 관측 가능 |
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③ 시직경과 밝기
- 내합으로 올수록 크기가 커지고 밝아지며, 내합에 위치하면 크기는 가장 크나 삭이기 때문에 어두움
④ 위상
- 내합 : 삭 / 외합 : 망
- 동방최대이각 : 상현 / 서방최대이각 : 하현
■ 내행성의 순행과 역행
- 별을 기준으로 행성의 위치는 고정되어 있지 않고 변함
- 공전속도치이로 인해 발생하는 겉보기 운동 (실제 운동 X)
- 동방최대이각 - 내합 - 서방최대이각에서 역행 (내합 부근)
① 순행 : 배경별에 대해 서 → 동으로 움직임 (적경 증가)
② 역행 : 배경별에 대해 동 → 서로 움직임 (적경 감소)
■ 내행성의 순행 : 서방최대이각 > 외합 > 동방최대이각
■ 내행성의 역행 : 동방최대이각 > 내합 > 서방최대이각
2) 외행성의 운동
① 외행성의 위치
- 합 : 이각 0˚ / 충 : 이각 180˚ / 구 : 이각 90˚
② 외행성의 관측
| 합 | 6시 ~ 18시까지 하늘에 있으나 관측 불가 |
| 충 | 18시(동) ~ 24시(남) ~ 6시(서)까지 뜨고, 모든 시간에 관측 가능 |
| 동구 | 12시 ~ 24시까지 하늘에 있고, 18시(남) ~ 24시(서)까지 관측 가능 |
| 서구 | 24시 ~ 12시까지 하늘에 있고, 24시(동) ~ 6시(남)까지 관측 가능 |
③ 시직경과 밝기
- 충일 때 가장 크고 밝음
④ 위상
- 합 : 망 (관측 불가) / 충 : 망
- 동구 : 상현보다 큼 / 서구 : 하현보다 큼
■ 외행성의 순행과 역행
- 별을 기준으로 행성의 위치는 고정되어 있지 않고 변함
- 공전속도차이로 인해 발생하는 겉보기 운동 (실제 운동 X)
- 충 부근에서 역행 (지구에서 볼 때 외행성이 충 부근)
① 순행 : 배경별에 대해 서 → 동으로 움직임 (적경 증가)
② 역행 : 배경별에 대해 동 → 서로 움직임 (적경 감소)
■ 지구에서 바라본 외행성의 상대적인 움직임
- 지구보다 공전속도가 느리기 때문에 시계방향으로 도는 것처럼 보임
- 충 > 동구 > 합 > 서구
3. 행성들의 회합 주기와 공전주기
1) 회합주기 (= 360˚ 되는데 걸리는 시간)
- 내행성이 내합(or 외합)에서 다음 내합(or 외합)이 되는데 걸리는 시간 혹은 외행성이 충(or합)에서 다음 충(or 합)이 되는데 걸리는 시간
- 행성의 공전주기는 태양을 공전하는데 걸리는 시간을 의미하므로, 같이 태양을 공전하는 지구에서 행성의 정확한 공전주기를 측정하는데 어려움이 있어 회합주기 사용
(행성의 공전주기 : P / 지구의 공전주기 : E / 회합주기 : S)
■ 회합주기 특징
① 내행성은 지구에 가까울수록 회합주기가 큼
② 외행성은 지구에서 가까울수록 회합주기가 큼
■ 지구와 행성사이의 공전속도차이가 작으면 회합주기가 크다.
4. 케플러 법칙
1) 케플러 제1법칙 : 타원궤도의 법칙
- 모든 행성은 태양을 초점으로 하는 타원궤도를 그리며 공전
긴 반지름 (궤도 장반경) : a
짧은 반지름 (궤도 단반경) : b
이심률 (=찌그러진 정도) : e
2) 케플러 제2법칙 : 면적 - 속도 일정의 법칙
- 행성과 태양을 잇는 선은 같은 시간 동안 같은 면적을 쓸고 지나감 (같은 궤도에서만)
① 행성의 공전속도는 근일점에서 가장 빠르고, 원일점에서 가장 느리다.
3) 케플러 제3법칙 : 조화의 법칙
- 행성의 공전주기의 제곱(P²)은 공전 궤도 장반경의 세제곱(a³)에 비례 (하나의 계 안에서만 작용)
(G : 만유인력 상수 / M : 중심핵의 질량 / m : 행성의 질량 / a :장반경)
(질량이 너무 작아서 무시한다.)
4] 태양의 활동
1. 태양의 구조
- 태양의 핵에서 수소핵융합으로 에너지 방출
- 핵 주변을 둘러싼 복사층, 대류층을 통해 에너지 전달
2. 태양의 표면 (광구)
- 온도는 약 5,800K로써, 대류현상이 발생하고 있고 가시광선 영역에서 관측
1) 쌀알 무늬
- 광구 밑의 대류층에서 일어나는 대류현상 때문에 발생하는 무늬
- 밝은 부분은 뜨거운 물질의 상승 부분이고, 어두운 부분을 차가운 물질의 하강 부분
2) 흑점
- 광구에서 주위보다 검게 보이는 점
① 강한 자기장이 열대류를 억제하여 주위보다 온도가 낮은 지역 (약 4,000 ~ 5,000K)
② 흑점은 11년을 주기로 증감하며, 태양활동이 활발할수록 흑점 수 증가
③ 태양의 차등자전에 의해 흑점은 위도별로 이동속도가 다름
적도에서는 자전속도가 빨라 자전주기가 약 25일, 극에서는 약 34일
흑점의 이동을 통해 태양의 자전주기 및 자전방향을 파악
■ 위도별, 연도별 흑점의 분포
■ 태양 표면 관측 방법
① 투영법 : 천체 망원경의 접안부 뒤쪽에 태양 투영판을 부착하여 관측 (간접적인 방법)
② 직시법 : 경통에 태양광을 줄여주는 필터를 부착하여 관측 (직접적인 관측)
3. 태양의 대기
1) 채층
- 광구 바로 밖의 붉은색 대기층으로, 약 4,500K에서 수만 K까지 이르며, 자외선 영역에서 관측
① 홍염 : 아치 형태로 솟아오르는 불꽃 가스 분출물
② 스피큘 : 채층 가장자리에 있는 톱날 모양의 불꽃 기둥
2) 코로나
- 태양 가장 바깥쪽 대기층으로, 약 100만 K이며 X선에서 주로 관측
① 밀도가 매우 희박
② 태양활동의 극대기에 코로나의 크기가 더 커짐
③ 광구보다 어두워서 평소에는 가시광으로 관측 불가능하지만, 개기일식 때는 관측 가능
■ 플레어
- 흑점 부근에서 발생하는 격렬한 폭발로써, 우주공간으로 물질을 방출하는 형태
- 태양풍 (코로나 물질 분출)을 보내어 자기 폭풍, 오로라, 델린저 현상을 유발
- 극대기 때 많이 발생함
■ 태양활동 ∝ 코로나의 크기 ∝ 플레어 발생 빈도 ∝ 흑점 수 ∝ 델린저현상, 오로라, 자기폭풍 횟수
5] 달의 운동
1. 달의 위상변화
- 달은 지구, 태양, 달의 위치에 따라 지구에서 보이는 모양이 달라짐
① 달은 스스로 빛을 내지 못하고 햇빛을 반사하는 부분만 밝게 보임
② 달은 지구 둘레를 도는 위성
- 반시계 방향으로 공전하고 오른쪽부터 차오르고 오른쪽부터 사라진다.
2. 달의 위상에 따른 관측시간과 관측 방향
360˚ → 24h
180˚ → 12h
90˚ → 6h
45˚ → 3h
| 뜨고 지는 시각 | 관측 시각과 방향 | |
| 삭 | 약 6시 ~ 18시 | X |
| 초승 | 약 9시 ~ 21시 | 18시(서) ~ 21시(서) |
| 상현 | 약 12시 ~ 24시 | 18시(남) ~ 24시(서) |
| 망 | 약 18시 ~ 6시 | 18시(동) ~ 24시(남) ~ 6시(서) |
| 하현 | 약 24시 ~ 12시 | 24시(동) ~ 6시(남) |
| 그믐 | 약 3시 ~ 15시 | 3시(동) ~ 6시(동) |
3. 달의 공전주기와 동주기 자전
1) 달의 공전주기
- 공전주기의 기준을 무엇으로 하느냐에 따라서 달라짐
① 항성월 (27.3일)
- 별을 기준으로 하는 공전주기
- 실제 달의 공전주기
② 삭망월 ( 29.5일)
- 위상변화를 기준으로 하는 공전주기
- 음력 한 달
(음력 1일 - 삭 / 음력 15일 - 망 / 음력 7~8일 - 상현)
■ 항성월과 삭망월이 기준이 다르다.
2) 동주기 자전
-달의 자전주기와 달의 공전주기(항성월)가 같고, 달의 자전방향과 공전방향이 같아 지구에서 볼 때 항상 달의 한 면만 보이는 현상
■ 지구가 1회 자전하는 동안 달은 지구 주위를 약 12˚(= 360˚/30일)정도 공전하기 때문에 매일 50분 정도 늦게 뜬다.
(360˚ = 약 30일, 12˚ = 1일 / 1시간 → 15˚, 50분 → 12˚)
4. 일식과 월식
1) 일식
- 달이 태양을 가리는 현상
① 위치 : 태양 - 달 - 지구 순으로 배치 (달의 위상은 삭)
② 진행방향 : 지구에서 바라보면, 태양의 오른쪽부터 가려짐
③ 종류
- 개기일식 : 본그림자에서 일식을 관측할 경우, 태양이 달에 의해 완전히 가려져 보임
태양의 채층, 코로나를 육안으로 관측 가능 (태양의 시직경 ≤ 달의 시직경)
- 부분일식 : 반그림자에서 일식을 관측할 경우, 태양의 일부분이 달에 의해 가려져 보임
- 금환일식 : 본그림자에서 일식을 관측할 때, 달의 위치가 평균적인 달의 공전궤도보다 멀리 있는 경우 달의 가장자리에 반지고리처럼 태양이 보임 (태양의 시직경 > 달의 시직경)
■ 황도와 백도는 5˚ 정도 기울어져 있기 때문에 매달 식 현상이 발생하지 않는다.
2) 월식
- 지구의 그림자가 달을 가리는 현상
① 위치 : 태양 - 지구 - 달 순으로 배치 (달의 위상은 망)
② 진행방향 : 지구에서 바라보면, 달의 왼쪽부터 가려짐
③ 종류
- 개기월식 : 달의 전체가 지구 본 그림자 안에 들어있는 경우, 붉은 달이 보임
(빛의 산란에 의해 개기월식 때는 붉은 달로 관측 가능)
- 부분월식 : 달의 일부가 지구 본 그림자에 있는 경우, 달의 일부분이 가려져 보임