중3 과학/지구가 둥근 증거/지구의 크기 측정/달의 크기 측정/지구의 자전/지구의 공전

고대 그리스의 아리스토텔레스(Aristoteles B. C. 384~B. C. 322)는 달에 비친 지구 그림자가 항상 곡선으로 보이는 현상을 관측하였다. 그리고 이를 근거로 지구의 모양이 둥글다고 주장하였다.배가 항구에서 멀어질 때 배의 아래쪽부터 점점 물속으로 가라앉는 것처럼 보이는 것은 지구가 둥글기 때문에 나타나는 현상이다. 만약 지구가 편평하다면 멀어지는 배의 모습은 그대로인 채 크기만 점점 작아질 것이다. 사람들이 살고 있던 지역에서 북쪽이나 남쪽으로 가면 그동안 보이지 않던 별들이 보이는데, 이것도 지구가 둥글기 때문에 나타나는 현상이다. 만약 지구가 편평하다면 어느 곳에서나 보이는 별들이 같을 것이다. 한편, 둥근 지구 에서는 위도에 따라 별의 고도가 달라진다. 북쪽 하늘에서 항상 볼 수 있는 북극성의 경우 고위도로 갈수록 고도가 높게 관측된다.16세기경 마젤란(Magellan, F.; ?1480~1521)이 세계 일주에 성공하면서 지구가 둥근 모양이라는 주장이 사실로 확인되었다. |그림 3-4|와 같이 마젤란 함대가 서쪽으로 계속 항해한 결과 출발한 곳으로 돌아온 것이다. 오늘날에는 인공위성이 개발되어 이러한 지구의 둥근 모습을 우주에서 직접 볼 수 있다.

지구의 크기를 최초로 측정한 사람은 에라토스테네스(Eratosthenes.C.275~?B.C.194)이다. 에라토스테네스는 하짓날 정오에 시에네에서는 그림자가 사라지면서 햇빛이 우물의 바닥까지 닿는다는 것을 알았다. 그런데 하짓날 같은 시각에 알렉산드리아에서는 그림자가 생겼다.에라토스테네스는 두 지역에서 그림자가 다르게 생긴다는 사실을 통해 지구의 크기를 구하려고 다음과 같이 가정하였다.

에라토스테네스의 가정

• 지구로 들어오는 햇빛은 평행하다.

• 지구는 완전한 구형이다. 

이러한 가정을 바탕으로 에라토스테네스는 알렉산드리아에 막대를 세워 막대와 막대의 그림자가 이루는 각도를 측정하였다. 이 각도는 지구의 중심각(* )과 같다. 그리고 알렉산드리아와 시에네 사이의 거리를 측정하였는데, 이 값은 중심각(h)에 해당하는호의 길이( )가 된다. 에라토스테네스는 측정한 값을 원의 성질을 이용한 비례식에 적용하여 지구의 둘레( )를 구하였다.에라토스테네스가 구한 지구의 둘레는 약 46,000 km였다. 이는 실제 지구의 둘레보다 크지만 당시의 측정 기술을 고려하면 상당히 정확한 값이다. 오늘날 지구의 크기를 측정하는 원리는 에라토스테네스가 이용한 원리와 같다. 이때 중심각(h)은 막대와 막대의 그림자가 이루는 각 대신 같은 경도 에위치한 두 지점의 위도 차로 구한다.

달의 크기는 어떻게 측정할까? 달의크기는 달의 시지름을 이용하여 알아낸다. 달의 시지름은 지구에서 달을 바라볼 때 눈에 보이는 달의 지름을 각도로 나타낸 것이다. 달의 시지름과 지구에서 달까지의 거리를 원의 성질을 이용하여 비례식에 적용하면 달의 지름을 구할 수 있다. 지구에서 달까지의 거리(L)를 반지름으로 하는 원에서 달의 시지름( )은 부채꼴의 중심각이 되고, 달의 지름(D)은 중심각에 해당하는 호의 길이가 된다.실제 지구의 둘레는 약 40,000 km이고, 반지름은 약 6,400 km이다. 그리고 실제 달의 지름은 약 3,500 km이고, 반지름은 약 1,700 km이다. 이처럼 지구는 달보다 네 배 정도 크다.

지구는 자전축을 중심으로 하루에 한 바퀴씩 서에서 동으로 도는 운동을 하는데, 이를 지구의 자전이라고 한다. 지구의 자전축은 기울어져 있고, 지구가 한 번 자전하는 데 걸리는 시간은 24 시간이다.지구의 자전으로 지구에서는 어떤 현상이 나타날까? 지구가 자전하는 동안 태양이나 별이 매일 동쪽에서 떠서 이동하여 서쪽으로 지는 현상이 관측된다. 이때 북쪽 하늘에서는 북극성을 중심으로 별들이 원을 그리며 시계 반대 방향으로 도는 것처럼 보인다.

이처럼 태양, 별 등 모든 *천체가 동에서 서로 이동하여 하루에 한 바퀴씩 도는 현상을 천체의 일주 운동이라고 한다.지구에서 하늘을 보면 별들이 무한히 넓은 구의 안쪽에 붙어 있는 것처럼  보이는데, 이러한 가상의 구를 천구라고 한다. 천구의 중심은 지구이고, 지구의 북극과 남극을 연장하여 천구와 만나는 곳이 각각 천구 북극과 천구 남극이다. 지구가 자전축을 중심으로 서에서 동으로 자전하는 동안 지구의 관측자에게는 천구가 지구의 자전 방향과 반대 방향으로 도는 것처럼 보인다. 즉, 지구의 자전 때문에 천구에 있는 천체가 천구 북극을 중심으로 동에서 서로 도는 것처럼 보인다. 따라서 남쪽 하늘을 보면 천체가 동에서 떠서 서로 이동하는 것처럼 보이고, 북쪽 하늘을 보면 천체가 북극성을 중심으로 도는 것처럼 보인다.

지구는 자전 외에도 태양을 중심으로 일 년에 한 바퀴씩 서에서 동으로 도는 운동을 하는데, 이를 지구의 공전이라고 한다. 지구가 공전하기 때문에 매일 같은 시각에 하늘에서 보이는 태양의 위치가 달라진다.태양의 연주 운동은 태양이 실제로 이동하는 것이 아니라 지구가 태양을 중심으로 공전하기 때문에 태양이 별자리 사이로 이동하는 것처럼 보이는 현상이다. 밤하늘에 보이는 별자리들은 태양의 반대쪽에 있는 별자리들이다. 따라서 지구가 공전하여 태양이 보이는 위치가 달라지면 계절에 따라 밤하늘에 보이는 별자리도 달라진다. 지구가 태양 주위를 공전하는 동안 지구에서는 계절 변화가 나타난다. 계절변화는 왜 나타나는 것일까? 북반구에서 봄, 여름, 가을, 겨울에는 태양 고도가 계절마다 다르게 관측된다. 여름에는 태양의 남중 고도가 높고, 겨울에는 태양의 남중 고도가 낮다.계절에 따라 태양의 남중 고도가 달라지는 것은 지구의 자전축이 기울어져 있기 때문이다.북반구에서 여름이 될 때는 지구의 자전축이 태양 쪽을 향하여 태양의 남중 고도가 높고, 낮의 길이가 길다. 그래서 지표면에 도달하는 태양 복사 에너지양이 많아 따뜻하다. 그러나 북반구에서 겨울이 될 때는 지구의 자전축이 태양의 반대쪽을 향하여 태양의 남중 고도가 낮고, 낮의 길이가 짧다. 그래서 지표면에 도달하는 태양 복사 에너지양이 적어 춥다. 북반구에서 봄이나 가을이 될 때는 지구의 자전축이 태양 쪽을 향하지 않고 태양의 반대쪽을 향하지도 않아 낮과 밤의 길이가 같다. 이처럼 지구가 자전축이 기울어진 채 태양 주위를 공전하기 때문에 계절의 변화가 생긴다.