위키독:달의 공전과 자전

달

지구의 위성.

현재까지 인류가 방문한 유일한 천체.

지구에서 대략 384,399 km떨어져 있다. 많은 경우, 지구와 달을 표현할 때 지구 바로 옆에 달이 있는 것 처럼 그리지만 실제로는 엄청나게 멀리 떨어져 있다. 아래의 그림을 본다면 대충 감이 올 것이다.

지구와 달 사이에 태양계의 모든 행성들을 늘어놓아도 약 8,000km의 공간이 남게 된다. 맨 왼쪽에 있는 것이 지구이며 수성, 금성, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성을 거쳐 맨 오른쪽의 달에 이르게 된다.

달의 자전주기는 약 27.321582일, 공전주기도 약 27.321582일로 그 주기가 정확히 일치한다. 그래서 지구에서는 달의 뒷면을 결코 볼 수가 없다. 자전과 공전을 동시에 하면서 항상 앞면만 지구를 바라보기때문. 이렇게 두 주기가 일치하는 위성의 자전주기는 '조석고정', 또는 '동주기 자전'이라는 용어로 따로 표현한다. 달만 그런것이 아니고 목성형행성의 위성 대부분이 조석고정 상태이다. 이는 싱크(동조)로 인한 현상으로 상세한 것은 후술한다.

조석고정

조석 고정은 앞서 언급했다시피 공전주기와 자전주기가 같아서 발생한다. 지구 주위를 도는만큼 스스로 회전하기 때문. 물론 행성이 항성에 대해 동주기자전을 할 수도 있으나 태양계엔 아직 그러한 행성이 없다. 만약 그러한 행성이 있었다면 한쪽은 항상 낮이고 다른 쪽은 항상 밤인 세계일 것이다.

사실 조석고정, 동주기자전이란 용어가 있지만 오히려 이러한 자전을 하지 않는 위성이 드물다. 현재까지 태양계에선 토성의 하이페리온만이 순행공전을 하면서 동주기자전을 하지 않는 유일한 위성으로 확인되고 있다.

동조 현상

동조 현상이라고 하면 대부분 심리학의 용어로 많이 쓰이나 사실 동조라는 현상은 자연 곳곳에서 발견되는 흔한 현상이다. 심리학에서 말하는 동조 현상은 Conformity로써 말그대로 군중심리에 가까운 현상을 설명하는데에 쓰인다. 조석고정을 설명하는 동조 현상은 Sync로 일상생활에서 볼 수 있는 동조현상은 모두 이것이라고 보면 된다.

반딧불이의 동조현상이 대표적인데 아래 사진은 말레이시아 망그로브숲에서의 반딧불 동조이다.

수천마리의 반딧불이가 정확하게 신호를 껐다 켰다 하며 동조를 이루고 있다. 이때문에 이곳은 유명한 관광지가 되었다.

동조과학의 선구자인 스티븐 스트로가츠는 동조로 인한 여러 현상을 설명하면서 달의 조석고정 현상에 대해서도 언급하게 된다. 그의 설명에 따르면 달의 공전주기와 자전주기가 같은 이유는 다음과 같다.

먼저 문제를 단순하게 하기 위해 달이 원형궤도1를 돌고 있다고 가정하는데서 출발한다. 이 원의 크기는 두 힘의 균형에 의해 결정된다. 지구가 달을 끄는 중력이 그 하나이고, 달의 운동에서 생기는 원심력2이 다른 하나이다. 중력과 원심력은 달의중심에서 완벽하게 균형을 이루고 있다.

하지만 달은 점이 아니라 커다란 공이라는 점을 기억하자. 공의 중심이 아닌 곳에서는 두 힘이 완벽하게 균형을 이루지 못한다. 지구와 가까운 쪽은 인력이 더 강하고, 반대쪽은 원심력이 더 세다. 이런 불균형 때문에 달의 지구 가까운 쪽과 그 반대쪽이 약간 부풀어 오르게 된다. 지구도 달의 중력 때문에 똑같은 일이 생긴다. 바다의 밀물과 썰물(조석)은 이 때문에 생긴다. 하지만 달에는 물이 없는 관계로 '조석 효과'가 두드러지게 보이지는 않는다. 하지만 이것 또한 달의 모양을 만드는데 중요한 역할을 하는데 달을 균형에서 약간 길쭉한 모양으로 변형시키는게 조석력이기 때문이다. 지구의 인력이 끌어당기기 때문에 길쭉한 달은 지구의 정중앙을 향한 자세로 있으려는 힘을 받는다. 지구 주위를 돌면서도 이런 자세를 계속 유지하려면 공전과 동시에 자전을 할 수밖에 없다.

지구 주위를 한 바퀴 도는 동안 달의 중심축을 기준으로 정확하게 한 바퀴 돌아야 한다. 달이 현재의 모습이 된 것은 이런 조건이 있었기 때문이다. 자전-공전비 1:1, 혹은 조석 고정이라고 불리는 조건이다. 이것은 오뚝이로 비유할 수 있는데 바닥이 둥글고 무거운 오뚝이는 옆으로 넘어뜨리자마자 스스로 똑바로 선다. 달도 이렇게 보자면 바닥이 무겁다. 지구와 가까운 쪽의 융기가 중력의 영향을 더 크게 받는다는 의미에서다. 이것이 달의 자전-공전 동조가 회복되도록 회전력을 변화시키는 것이다.3