과학논술/ 지구와 달의 관계

[제시문 1]

일(日 또는 하루)은 지구가 스스로 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이며, 월(月 또는 달)은 달이 지구를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간과 비슷하고, 년(年)은 지구가 태양을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이다.

1년은 약 365일이고, 1달은 30일 또는 31일이며, 하루는 평균 24시간이다. 여기서 하루를 평균 24시간이라고 한 이유는 때에 따라 하루의 길이가 달라져 23시간 59분 38초에서 24시간 00분 30초 사이에서 변하기 때문이다.

그러면, 하루는 언제나 24시간이었고, 1년은 항상 365일이었을까? 이 흥미로운 문제를 처음 생각한 사람은 미국의 고생물학자 웰스였다.

산호화석을 연구하던 웰스는 산호껍질에 남겨진 가는 줄무늬(성장선이라고 함)가 하루에 자란 부분을 구분해 주며, 계절에 따라 산호의 성장속도가 달라지기 때문에 1년 동안에 자란 부분도 알 수 있다고 생각하였다. 그는 여러 시대의 산호화석을 연구하여 1년 동안에 자란 성장선의 수가 현재 살고 있는 산호는 약 360개, 석탄기(약 3억년 전)의 산호는 390개, 그리고 데본기(약 4억년 전)의 산호는 약 400개라는 사실을 알아냈다.

바꾸어 말하면, 3억년 전 지구의 1년은 390일이었으며, 4억년 전에는 1년이 약 400일이었음을 뜻한다. 1년의 날 수가 많으면 하루의 시간이 짧아지므로 데본기의 하루는 약 22시간이 된다. 그러므로 데본기에 비하여 지금은 자전속도가 2시간이나 느린 셈이다.

[제시문 2]

지구와 달이 공통 질량 중심을 중심으로 회전할 때 생기는 원심력과 달이 지구에 미치는 인력의 합을 달의 기조력이라 한다. 지구 중심에서는 달의 인력과 원심력의 크기가 같으므로 기조력이 없다.

그리고 지구에서 달을 향한 쪽에서는 원심력보다 달의 인력이 크므로 기조력이 달 쪽을 향하고, 지구에서 달의 반대쪽에서는 인력보다 원심력이 크므로 기조력이 달의 반대쪽을 향한다. 따라서, 지구에서 달 쪽과 달의 반대쪽에서는 만조가 나타나고, 그 사이에 있는 양쪽 지역에서는 간조가 나타난다.

지구는 하루에 한번씩 자전하므로 보통 저위도와 중위도 지역에서는 하루에 2회의 밀물과 썰물이 나타난다. 기조력의 크기는 천체의 질량이 클수록, 천체까지의 거리가 가까울수록 크다. 태양은 지구에서의 거리가 달에 비해 워낙 멀기 때문에 태양에 의한 기조력은 달의 반 정도 밖에 되지 않는다. 따라서, 지구의 조석은 달에 의한 영향을 더 많이 받는다.

삭과 망일 때는 태양과 달이 상보하여 대조(사리 spring tide)가 되며 상현과 하현일 때는 태양과 달이 상쇄하여 소조(조금 neap tide)가 된다.

[논제 1] 현재 1년 중 하루의 길이가 최대 50초 이상 차이가 나는 이유에 대해 추론하시오.

[출제 의도] 지구 자전·케플러 법칙 등 수리 추리력 측정

<논제 1> 은 고생물 분야와 지구과학2의 지구의 자전과 공전에 대한 분야와도 연관되고, 물리2에 나오는 케플러의 법칙을 이용하여 태양과 지구의 거리가 연중 변한다는 타원 궤도에 관한 분야와도 연관된다. 또한 타원에 관한 수학적인 추리를 한다면 많은 도움을 받을 수 있다.

<논제 2> 는 제시문에 주어진 자료를 잘 활용하면 추론하는데 상당한 도움을 받을 수 있다.달의 기조력의 영향에 관한 물리의 각운동량 보존의 법칙에 관한 내용을 연관짓는 능력을 알아보는 융합 문제로 종합적인 사고력을 측정하는 유형이다. 제시문의 내용 중 일부는 지구과학2, 물리2 교과서에 나오는 내용을 인용한 것이다.

[예시답안]

지구는 태양 둘레를 타원궤도를 그리면서 공전한다. 북반구 겨울에는 태양과 지구의 거리가 가까워진다. 북반구 여름에는 태양과 지구의 거리가 멀어진다. 따라서 케플러 면적속도 일정의 법칙(제2법칙)에 따라 지구의 공전 속도가 겨울철이 여름철보다 더 빨라진다.

지구 공전의 이동 각거리가 겨울철이 여름철보다 더 크므로 지구의 자전 속도가 연중 일정하더라도 태양이 남중했다가 다음날 다시 남중하려면 공전의 이동 각거리가 더 많아진 만큼의 자전을 더 많이 해야 하므로 겨울철이 여름철보다 하루의 길이가 더 길어진다. 동지 때 하루의 길이는 24시간30초이며, 하지 때는 23시간 59분38초이다. 1년 중 하루의 길이가 약 50초 이상 차이가 나는 것이다.

강산ㆍ서울 노량진 대성학원 강사