지구의 자전
지구(地球)의 자전
・지구의 자전이란
우주에서 보면 지구는 북극과 남극을 연결하는 선을 중심으로 하루에 한 번 돌고 있습니다. 이 현상을 「자전」이라고 부릅니다. 과학실 등에 두고 있는 지구본을 회전시켜 보면 이미지화하기 쉽습니다. 회전 방향은 북극성에서 지구를 보고 반 시계 방향입니다. 또한 지구는 자전하는 동시에 태양 주위를 빙빙 회전하고 있습니다. 이것을 「공전」이라고 부릅니다. 지구의 자전축(지축)은 공전에 수직이 아니라 약 23.4° 기울어져 있습니다. 이 각도를 「적도 경사각」이라고 부릅니다. 지구가 자전하여 태양의 빛이 닿는 면이 「낮」이고, 반대로 빛이 닿지 않는 면이 「밤」입니다. 한국의 반대편에는 브라질과 아르헨티나, 우루과이 등 남미의 나라가 있지만, 한국의 낮일 때는 밤, 밤일 때는 낮이 되는 것입니다.
・지구는 왜 자전하는가?
태양이나 지구와 같은 별들은 원래 우주 공간을 떠돌던 '티리'가 회전하면서 태어난 것입니다. 그때의 회전이 지금도 계속되고 있기 때문에 지구는 자전을 계속하고 있습니다. 회전하고 있던 것은 별이 태어났을 때라는 아주 먼 옛날의 일인데, 왜 지금도 회전이 멈추지 않고 계속되고 있는 것일까요. 여기에는 '마찰'이 관련되어 있습니다. 우리 가까이에서 '회전하는 것'의 예로 팽이를 들어보겠습니다. 팽이를 손에 들고 땅 위에서 회전시키면 처음에는 힘차게 돌아가지만, 점점 회전 속도가 느려져 결국 멈춰 버립니다. 팽이의 기세가 약해져 멈추는 것은 팽이의 축과 지면 사이에 마찰력이 작용했기 때문입니다. 마찰력은 팽이의 회전을 멈추는 방향으로 작용합니다. 따라서 팽이의 회전이 점점 느려지는 것입니다. 우주 공간에서 다른 물체와 접촉하지 않고 움직이고 있을 때는 이러한 마찰이 일어나지 않습니다. 따라서 회전하는 천체는 마찰력에 가로막히지 않고 지금까지 계속 돌고 있는 것입니다. 지구 회전뿐만 아니라 모든 운동은 그것을 가로지르는 힘이 작용하지 않는 한 같은 상태가 계속됩니다. 이것을 관성의 법칙이라고 부릅니다. '지구에 대해 어떤 힘이 작용하고 있기 때문에 지구는 돌고 있다.'라고 생각하는 사람이 있는데, 그것은 잘못된 것입니다. 확실히 지구에는 태양과 달, 다른 행성 등 외부로부터의 힘이 어느 정도 작용하고 있습니다. 그러나 지구의 회전을 멈추는 방향에는 힘이 작용하지 않기 때문에 지구의 자전에는 영향이 없습니다.
・지구는 어느 정도의 속도로 돌고 있나?
지구는 시속 1,700킬로미터의 속도로 자전하고 있습니다. 이것은 계산으로 구할 수 있기 때문에 실제로 해 봅시다. 지구는 한 바퀴 거리(적도 길이)가 약 40,000킬로미터입니다. 그리고 지구가 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 24시간입니다. 이것을 시속으로 나타내면, 40000÷24= 약 1700이 됩니다. 즉 적도 위의 자전 속도는 시속 약 1,700킬로미터인 것입니다. 이것을 자전 속도라고 부릅니다. 시속 약 1,700킬로미터 정도는 좀처럼 이미지화하기 어려운 것입니다. 덧붙여 소리가 전해지는 속도는, 시속 약 1,200킬로미터입니다(장소나 기온에 따라서 다릅니다.). 따라서 지구의 자전은 소리보다 빠른 것입니다.
・지구의 자전이 미치는 영향
지구가 자전함으로써 자연과 시간에 다양한 영향을 미치고 있습니다.
1. 윤초
- 우리는 지구가 한 바퀴 도는 시간을 '하루(24시간)', 하루의 24분의 1을 '1시간', 1시간의 60분의 1을 '1분', 1분의 60분의 1을 '1초'로 정해 왔습니다. 지구는 멈추지 않고 계속 돌고 있지만 움직이는 속도는 사실 일정하지 않고 항상 같은 속도로 돌고 있는 것은 아니라는 것을 알게 되었습니다. 이 세상에서 가장 정확한 시간을 새기는 시계로 '원자시계'가 있는데, 지구의 자전이 빠르거나 늦으면 지구의 자전에 의해 결정되는 시각과 원자시계에 의해 측정하는 시각 사이에 차이가 생기게 됩니다. 이 어긋남을 수정하기 위해 마련된 것이 '윤초'입니다. 지구의 자전 속도는 원자시계와 비교하면서 관측이 이루어지고 있습니다. 지구의 자전과 원자시계에 따라 결정되는 시각의 차이가 플러스 마이너스 0.9초 범위에 들어가도록 윤초를 끼우는 것으로 조정되어 있는 것입니다. 예를 들어 서기 1990년경 지구는 원자시계를 기준으로 한 하루보다 약 2밀리 초 정도 더 오래 걸려 한 바퀴 돌고 있었습니다(1밀리 초는 1초의 1000분의 1 단위를 가리킵니다). 만약 이 상태가 500일간(약 1년 반) 지속된다면 지구의 자전과 원자시계의 시각이 1초 어긋나게 됩니다. 그런 경우 윤초로 1초를 더함으로써 시각 조정이 이루어진다는 것입니다. 윤초는 기본적으로 6월 혹은 12월 마지막 날 마지막 초에 껴요. 처음으로 윤초에 의한 조정이 개시된 것이 1972년의 일로, 총무성이 발표한 한 지금까지 27회의 윤초가 삽입되었습니다. 우리가 평소에 신경 쓰지 않는 시간의 흐름에 조정이 이루어지고 있다니 신기합니다.
2. 바다와 바람의 흐름
- 공기의 흐름인 바람은 여러 요인으로 발생하는데, 그중 하나가 지구의 자전입니다. 태양의 열과 지구의 자전에 의해 강한 바람이 항상 일어나면서 바다의 흐름인 해류가 야기되고 있습니다. 바닷물은 지구 규모로 이동하고 있고, 북반구에서는 우회전으로, 남반구에서는 좌회전으로 큰 소용돌이를 그리듯이 움직이고 있는 것입니다.
3. 계절의 변화
- 지구의 자전축은 공전 궤도에 대해 약 23.4° 기울어져 있습니다. 북극이 태양 쪽을 향하고 있을 때 태양은 머리 바로 위 근처에서 비춰 낮이 길어집니다. 이게 여름이에요. 반대로 남극이 태양 쪽을 향하고 있을 때는 낮이 짧아집니다. 이게 겨울이 되는 거죠. 덧붙여 남반구에서는 북반구와 계절이 반대가 됩니다. 즉, 북반구가 여름일 때 남반구는 겨울, 북반구가 겨울일 때 남반구는 여름이 됩니다.
・지구에서 생활하면서 자전을 느끼지 못하는 이유
이렇게 지구는 고속으로 회전하고 있는데 왜 우리는 그것을 느끼지 못하는 것일까요. 이것은 지구상에 있는 우리뿐만 아니라 우리를 둘러싼 주위의 공기도 지구와 같은 속도로 움직이고 있기 때문입니다. KTX나 비행기를 타고 있을 때 고속으로 이동하고 있다는 것을 느끼지 못하는 것과 같습니다. 또한 지구의 자전은 1초에 0.0042°밖에 회전하지 않습니다. 그렇기 때문에 우리가 직접적으로 자전을 느끼는 경우는 없습니다.
・지구가 자전하고 있는지 확인하는 방법
지구가 자전하고 있는지 확인하는 방법으로 과학박물관 등에 전시되어 있는 '푸코의 진자'를 사용하는 것이 있습니다. 푸코의 진자란 지구의 자전을 검증하기 위해 사용되는 진자를 말합니다. 긴 실 끝에 추를 단 진자를 조용히 흔들게 하면 진자는 직선으로 좌우로 흔들리는 것이 아니라 지구의 회전과 반대 방향으로 회전하는 것입니다. 1851년 프랑스 물리학자 레옹 푸코가 파리 판테옹 사원에서 이러한 진자를 사용하여 실험을 하여 지구가 자전하고 있음을 증명했기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 이 때는, 길이 67미터의 금속 실(강선)에, 무게 28킬로그램의 추를 매달아 실험을 실시했습니다. 기회가 된다면 전시되어 있는 박물관을 견학하러 가보는 것이 좋습니다.