칭동
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1. 개요
칭동은 달이 겉보기 또는 실제적으로 진동하는 현상을 의미한다. 칭동은 크게 광학적 칭동과 물리적 칭동으로 나뉜다. 광학적 칭동은 달의 궤도와 자전, 지구 자전에 의해 발생하며, 경도 칭동, 위도 칭동, 일주 칭동의 세 가지 유형이 있다. 물리적 칭동은 달의 극 방향의 작은 진동으로, 강제 칭동과 자유 칭동으로 구분된다. 달 레이저 거리 측정 실험 등을 통해 칭동을 연구하며, 이는 달의 물리적 특성을 이해하는 데 기여한다.
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| 칭동 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 천체의 시운동 |
| 설명 | 주 천체를 공전하는 작은 천체의 겉보기 흔들림 |
| 상세 내용 | |
| 유형 | 경도 칭동 위도 칭동 시차 칭동 |
| 원인 | 궤도 이심률 궤도 경사 관측자 위치 변화 |
| 관련 현상 | 달의 뒷면 관측 가능 |
| 어원 | |
| 유래 | 라틴어 'librare' (흔들리다) |
| 한자 표기 | 秤動 (저울질할 칭, 움직일 동) |
| 활용 | |
| 천문학 | 천체의 운동 연구 |
| 공학 | 위성 궤도 설계 |
2. 칭동의 종류
경도 칭동(E)과 위도 칭동(F)은 두 보름달이 거의 반대 방향이며, E의 차이는 약 9°, F의 차이는 약 12°에 달하므로 달의 무늬가 크게 어긋나는 것을 알 수 있다. E가 양수일 때는 달의 동쪽(풍요의 바다가 있는 쪽)이, F가 양수일 때는 달의 북쪽(비의 바다가 있는 쪽)이 보인다.[12] 사진의 달은 위쪽이 북쪽이다.]]
달은 조석 고정으로 인해 지구를 향해 한쪽 반구를 유지한다. 달의 뒷면에 대한 첫 번째 관찰은 1959년 10월 7일 소련 탐사선 루나 3호가 달에 도달하고 나서야 가능했다.[1] 시간이 지남에 따라, 달 표면의 절반 이상(총 약 59%)이 칭동 때문에 지구에서 관측된다.[1]
2. 1. 광학적 칭동 (겉보기 칭동)
광학적 칭동은 지구와 달의 기하학적 관계 변화로 인해 달의 표면이 실제보다 더 많이 보이는 겉보기 칭동 현상이다. 칭동에는 경도 칭동, 위도 칭동, 일주 칭동 세 가지가 있으며, 이들은 각각 달의 궤도 특성, 지구와 달의 자전축 기울기, 지구 자전 등에 의해 발생한다. 광학적 칭동 덕분에 지구에서는 달 표면의 약 59%를 관측할 수 있다.[1]
2. 1. 1. 경도 칭동
'''경도 칭동'''은 달의 타원 궤도로 인해 발생하는 현상이다. 케플러 법칙에 의해 달의 공전 각속도는 변하지만, 달의 자전 각속도는 일정하므로 달의 겉모습이 1달(근점월, 27.55일)을 주기로 좌우로 진동하게 된다.[1] 요하네스 헤벨리우스가 1648년에 발견했으며,[3] 최대 진폭은 7°54′에 이를 수 있다.[4]
2. 1. 2. 위도 칭동
위도 칭동은 달의 자전축이 공전 궤도면에 대해 약 6.7° 기울어져 있기 때문에 발생하는 현상이다. 이는 지구가 자전축이 기울어진 채 태양을 공전하여 계절 변화가 생기는 것과 유사한 원리이다.[2] 갈릴레오 갈릴레이가 1632년에 발견한 것으로 알려져 있으며,[3] 최대 진폭은 약 6°50′이다.[4] 토마스 해리엇이나 윌리엄 길버트가 먼저 발견했을 가능성도 있다.[5]2. 1. 3. 일주 칭동
일주 칭동은 지구 자전에 의한 시차 때문에 발생한다. 지구 표면의 관측자는 지구 자전에 따라 위치가 변하므로, 월출 시와 월몰 시에 보이는 달의 모습이 약간 달라진다. 일주 칭동에 의해 달이 뜰 때는 달의 서쪽 가장자리를, 달이 질 때는 달의 동쪽 가장자리를 보게 된다.[4] 최대 진폭은 약 1°이다.2. 2. 물리적 칭동 (실제 칭동)
물리적 칭동(실제 칭동)은 달이 완전한 구형이 아닌 타원체이기 때문에 지구와 태양의 중력 영향을 받아 실제로 달 자체가 흔들리는 현상이다. 그 정도는 약 3.5′이다.[12]이는 경도, 위도, 일주 칭동과 같은 시각적 칭동과는 달리, 달의 방향이 극 방향으로 작은 진동을 보이며 극을 중심으로 회전하는 현상을 나타낸다. 이러한 칭동은 강제 칭동과 자유 칭동으로 구분될 수 있는데, 강제 칭동은 달이 지구와 태양을 공전하는 동안 작용하는 힘에 의해 발생하며, 자유 칭동은 더 긴 시간 동안 발생하는 진동을 나타낸다.
2. 2. 1. 강제 물리적 칭동
카시니의 법칙에 따르면, 달은 극축을 중심으로 균일하게 회전하고, 달의 적도면은 황도면에 대해 기울어져 있으며, 황도면을 따라 균일하게 세차운동을 한다.[6] 이러한 균일한 운동 외에, 달은 세 개의 축을 중심으로 작은 진동을 하는데, 이를 강제 물리적 칭동이라고 한다.[6]강제 물리적 칭동은 달의 모양이 완전한 구체가 아니기 때문에 지구와 태양으로부터 받는 중력에 의해 발생한다. 이 진동의 크기는 대략 100초각이다.[6] 지구에서 볼 때, 이것은 1초각 미만에 해당한다.
강제 물리적 칭동은 달의 궤도와 모양을 고려하여 예측할 수 있다.[7] 물리적 칭동은 달의 관성 모멘트 ''A'' < ''B'' < ''C''에 따라 달라지는 삼각 함수로 표현될 수 있다. 민감한 조합은 ''β'' = (''C'' – ''A'')/''B'' 및 ''γ'' = (''B'' – ''A'')/''C''이다. 극축을 중심으로 한 진동은 ''γ''에 가장 민감하며, 1.5427° 기울기를 포함한 극의 2차원 방향은 ''β''에 가장 민감하다. 결과적으로 물리적 칭동에 대한 정확한 측정은 ''β'' = 6.31 X 10-4 및 ''γ'' = 2.28 X 10-4의 정확한 결정을 제공한다.
달 레이저 거리 측정 실험(Lunar Laser Ranging experiment)과 루노호트 계획(Lunokhod programme)을 통해 달에 설치된 반사경에 레이저를 발사하여 물리적 칭동을 정확하게 측정할 수 있게 되었다.
2. 2. 2. 자유 물리적 칭동
자유 물리적 칭동은 외부 힘 없이도 달 자체의 고유한 진동 특성 때문에 발생하는 진동이다. 자유 진동의 주기는 계산할 수 있지만, 진폭과 위상은 측정해야 한다. 달 레이저 거리 측정 실험을 통해 이러한 측정이 가능하다.[8][9]자유 물리적 진동은 선형 미분 방정식에 대한 축소된 방정식의 해와 유사하다. 자유 진동의 주기는 계산할 수 있지만 진폭은 측정해야 한다. 가장 큰 두 개의 자유 진동은 O. 칼라메에 의해 발견되었다. 현대적인 값은 다음과 같다.[10]
| 구분 | 주기 | 각도 |
|---|---|---|
| 극축을 중심으로 하는 회전 | 1056일(2.9년) | 1.3초 |
| 타원형 극 진동 | 74.6년 | 8.18 × 3.31 초 |
| 공간에서의 극 회전 | 81년 | 0.03초 |
달은 조석 고정으로 인해 지구를 향해 항상 같은 면을 보이지만, 칭동 현상 덕분에 지구에서는 달 표면의 약 59%를 관측할 수 있다.[1] 칭동에는 광학적 칭동과 물리적 칭동이 있다.
유체 핵은 약 4세기 주기의 네 번째 모드를 유발할 수 있다.[11] 자유 진동은 달의 나이에 비해 매우 짧은 시간 안에 감쇠될 것으로 예상된다. 결과적으로, 그들의 존재는 하나 이상의 자극 메커니즘이 있어야 함을 의미한다.
3. 칭동과 달 탐사
광학적 칭동은 세 가지로 나뉜다.
물리적 칭동은 균일한 회전과 세차 운동에 대한 공간에서의 방향 진동이다. 크기는 매우 작다.
이러한 칭동 현상에도 불구하고 달의 뒷면 전체를 처음으로 관측한 것은 1959년 소련의 루나 3호 탐사선이었다.[1] 이후 미국과 소련의 달 탐사를 통해 달 뒷면에 대한 더 많은 정보가 밝혀졌다.
4. 칭동 연구의 의의
칭동 현상은 달의 운동과 내부 구조를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 달은 자전 주기와 공전 주기가 동기되어 지구를 향해 항상 거의 같은 면을 유지하지만, 칭동으로 인해 지구상의 관측자는 시간의 흐름에 따라 달의 뒷면의 일부도 볼 수 있다.[1] 이 때문에 지구에서는 달의 전체 표면 중 약 59%를 관측할 수 있다.
특히, 달 레이저 거리 측정 실험을 통해 물리적 칭동을 정밀하게 측정함으로써 달의 내부 구조와 진화 과정을 연구하는 데 기여하고 있다. 물리적 칭동은 달의 모양이 완전한 구체가 아니기 때문에 지구와 태양으로부터 받는 중력에 의해 달 자체가 흔들리는 현상이다.[12]
참조
[1]
백과사전
Moon
http://www.nasa.gov/[...]
2004
[2]
웹사이트
SVS: Moon Phase and Libration, 2020
https://svs.gsfc.nas[...]
2021-08-18
[3]
서적
Highlights of Astronomy: As Presented at the XXIst General Assembly of the IAU, 1991
Springer Science & Business Media
[4]
웹사이트
Libration of the Moon
https://epod.usra.ed[...]
2014-05-31
[5]
간행물
Harriot's Maps of the Moon: New Interpretations.
[6]
학술지
Theory of the libration of the moon
https://doi.org/10.1[...]
1981
[7]
학술지
Lunar interior properties from the GRAIL mission: Lunar Interior Properties
2014
[8]
학술지
Determination des librations libres de la Lune, de l'analyse des mesures de distances par laser
1976
[9]
학술지
Free librations of the Moon determined by an analysis of laser range measurements
1976
[10]
학술지
The Moon's physical librations and determination of their free modes
https://hal.archives[...]
2011
[11]
학술지
Observational constraint on the radius and oblateness of the lunar core-mantle boundary
https://doi.org/10.1[...]
2019
[12]
간행물
天文年鑑
誠文堂新光社
[13]
서적
World Book at NASA
http://www.nasa.gov/[...]
2004
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