자전축 기울기

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1. 개요
2. 자전축 기울기의 정의 및 측정
3. 지구의 자전축 기울기 (황도 경사각)
4. 태양계 다른 천체들의 자전축 기울기
5. 외계 행성의 자전축 기울기
참조

1. 개요

자전축 기울기는 행성의 북극이 태양계 불변면의 북쪽에 대해 기울어진 정도를 나타내는 것으로, 천문학에서 중요한 개념이다. 지구의 자전축 기울기는 황도 경사각이라고 불리며, 현재 약 23.44°이며, 이로 인해 사계절이 발생하고 극지방에 백야와 극야 현상이 나타난다. 지구 자전축 기울기는 세차 운동과 같은 요인으로 인해 장기적으로 변화하며, 달의 존재는 지구 자전축의 기울기를 안정시키는 역할을 한다. 태양계 내 다른 행성들의 자전축 기울기는 다양하며, 외계 행성의 기울기는 행성의 생명체 거주 가능성과 연관되어 연구된다.

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세차 운동 - 극운동
극운동은 지구 자전축의 불규칙한 운동으로 챈들러 요동, 연주기 진동, 불규칙적 표류로 구성되며 지구 핵-맨틀 운동, 해수면 재분포, 지각균형 재조정 등으로 발생하고 우주측지학 방법으로 관측되며 IERS에서 데이터를 제공한다.
세차 운동 - 자전축의 세차운동
자전축의 세차운동은 지구가 자전하면서 자전축이 25,700년 주기로 팽이처럼 회전하는 현상으로, 태양, 달, 다른 천체들의 중력으로 인해 발생하며, 천구의 극 이동, 계절 변화 시점의 태양 공전 위치 변화 등의 효과를 가져오는, 고대 그리스 천문학자 히파르코스가 처음 발견하고 측정한 천문 현상이다.

자전축 기울기
정의
설명	행성의 자전축이 공전 궤도면에 수직인 선과 이루는 각도이다.
지구
현재 값	23.43611°
기호	ε
변화	지구의 자전축 기울기는 일정하지 않고 41,000년 주기로 22.1도에서 24.5도 사이를 오간다.
원인	달의 중력에 의한 영향으로 지구 자전축이 세차 운동을 하기 때문이다.
영향	계절 변화를 일으키는 가장 큰 원인이다. 자전축 기울기가 클수록 계절 변화가 심해진다.
과거 값	마지막 빙하기에는 22도까지 감소했다.
미래 값	약 10,000년 후에는 24.4도까지 증가할 것으로 예상된다.
다른 행성
화성	화성의 자전축 기울기는 25도로 지구와 비슷하지만, 카오스적인 변화를 겪는다.
범위	수백만 년에 걸쳐 0도에서 60도까지 불규칙하게 변동한다.
원인	위성이 없기 때문에 다른 행성으로부터 섭동을 받기 쉽기 때문이다.
목성	목성의 자전축 기울기는 3도로 매우 작다.
영향	계절 변화가 거의 없다.
천왕성	천왕성의 자전축 기울기는 98도로 거의 누워 있다.
원인	과거에 큰 천체와의 충돌로 인해 자전축이 기울어진 것으로 추정된다.
금성	금성은 자전축 기울기가 177도로 거의 180도에 가깝다.
결과	자전 방향이 다른 행성들과 반대이다.

2. 자전축 기울기의 정의 및 측정

천체	자전축 기울기(°)	자전축 기울기(rad)
수성	0.0352	0.000614
금성	177.4	3.096
지구	23.5	0.4091
달	6.688^†	0.1167
화성	25.19	0.4396
세레스	~4	0.07
목성	3.13	0.0546
토성	26.73	0.4665
천왕성	97.77	1.7064
해왕성	28.32	0.4943
명왕성	119.61	2.0876
에리스	~78	1.3613

:† 황도면을 기준으로 한 달의 자전축 기울기는 1.5424° (0.02692 R)이다.

행성의 기울기를 지정하는 데는 두 가지 표준 방법이 있다. 한 가지 방법은 지구의 북극 방향과 관련하여 정의된 행성의 ''북극''을 기준으로 하고, 다른 방법은 오른손 법칙에 의해 정의된 행성의 ''양극''을 기준으로 한다.

국제천문연맹(IAU)은 행성의 ''북극''을 태양계의 불변면의 지구 북쪽에 있는 것으로 정의한다.^[2] 이 시스템에 따르면, 금성은 3° 기울어져 있으며, 다른 행성 대부분과 반대 방향으로 역행 운동을 한다.^[3]^[4]
IAU는 또한 방향을 결정하기 위해 오른손 법칙을 사용하여 ''양극''을 정의한다.^[5] 이 규칙을 사용하면 금성은 177°("거꾸로") 기울어져 있고 순행 자전을 한다.

적도 경사각은 0도에서 180도의 범위를 갖는다. 적도 경사각이 0인 경우, 해당 천체의 자전축은 궤도면에 수직이다. 적도 경사각이 90도인 경우에는 해당 천체의 자전축이 궤도면에 대해 정확히 옆으로 기울어져 있다. 적도 경사각이 90도를 초과하는 경우 해당 천체는 거꾸로 되어 있으며, 즉 남극을 궤도면의 북쪽으로 향하고 있고, 궤도면의 북쪽에서 보았을 때 자전 방향이 역전되어 시계 방향의 회전임을 나타낸다.

3. 지구의 자전축 기울기 (황도 경사각)

지구의 궤도면인 황도면과 천구 적도 사이의 각도를 황도 경사각이라고 하며,^[6] 그리스 문자 ε으로 표시된다.

지구의 현재 황도 경사각은 약 23.44°이다.^[7] 이 값은 세차 운동 주기 동안 고정된 궤도면에 대해 거의 동일하게 유지되는 것처럼 보이지만,^[8] 실제로는 다른 행성들의 섭동으로 인해 황도면 자체가 움직이기 때문에 고정된 값이 아니다. 현재 황도 경사각은 점차 감소하고 있으며, 그 변화율은 약 세기당 46.8″이다.^[9]

3. 1. 역사

고대 그리스인들은 기원전 350년경부터 자전축 기울기를 상당히 정확하게 측정했는데, 이는 마르세유의 피테아스가 하지 때 그노몬의 그림자를 측정한 것에서 시작되었다.^[10] 서기 830년경에는 바그다드의 칼리프 알-마문이 천문학자들에게 자전축 기울기를 측정하도록 지시했으며, 이 측정값은 아랍 세계에서 오랫동안 사용되었다.^[11] 1437년, 울루그 베그는 지구의 자전축 기울기를 23°30′17″(23.5047°)로 결정했다.^[12]

중세 시대에는 세차 운동과 지구 자전축 기울기가 모두 평균값을 중심으로 672년 주기로 진동한다는 '춘분점의 동요'라는 생각이 널리 퍼져 있었다. 이러한 통념이 잘못되었음을 처음으로 지적한 사람은 14세기의 이븐 알-샤티르로 여겨지며,^[13] 자전축 기울기가 비교적 일정한 속도로 감소하고 있다는 사실을 처음으로 알아낸 사람은 1538년의 프라카스토로였다.^[14] 자전축 기울기에 대한 최초의 정확하고 현대적인 서구의 관측은 1584년경 덴마크의 티코 브라헤에 의해 이루어진 것으로 추정된다.^[15] 물론 알-마문, 알-투시^[16], 푸어바흐, 레기오몬타누스, 발터 등 다른 여러 학자들의 관측 역시 비슷한 정보를 제공했을 가능성이 있다.

3. 2. 계절 변화

지구의 자전축은 공전 궤도면(황도면)에 대해 기울어져 있으며, 이 기울기는 계절 변화의 주된 원인이다.

지구의 자전축은 궤도 상의 위치에 관계없이 배경 별에 대해 동일한 방향을 유지한다. 이 그림의 오른쪽은 북반구 여름이 일어나고, 북극(빨간색)이 태양을 향하고, 왼쪽은 겨울이다.

지구의 자전축은 자이로스코프 효과 때문에 1년 동안 배경 별에 대해 거의 같은 방향을 유지한다.^[8] 즉, 지구가 태양 주위를 공전함에 따라, 특정 시점에는 한쪽 극(및 해당 반구)이 태양 쪽으로 더 기울게 되고, 반년 뒤에는 반대쪽 극이 태양 쪽으로 기울게 된다. 이것이 지구 계절의 원인이다. 예를 들어, 북극이 태양을 향할 때 북반구는 여름이 된다.

지구 자전축의 기울기는 천문학에서 황도 경사각이라고 부르며, 천구에서 황도면과 천구 적도 사이의 각도를 의미한다.^[6] 이 값은 고정되어 있지 않고 시간이 지남에 따라 변화한다. 현재 지구의 자전축 기울기는 약 23.44°이다.^[7] 더 정확하게는 2000년 1월 1일 12:00 (UT) 기준으로 23도 26분 21.406초였다. 이 값은 행성 간의 섭동으로 인해 황도면 자체가 움직이기 때문에 계속 변하며, 현재는 매 세기마다 약 46.8″씩 감소하고 있다.^[9] 약 1만 2000년 후에는 최소 약 22도가 될 것으로 예측된다. 이러한 자전축 기울기의 변화는 계절의 강도에 영향을 미칠 수 있으며, 장기적으로는 밀란코비치 주기와 관련하여 기후 변화의 중요한 요인 중 하나로 여겨진다.

자전축 기울기는 사계절 외에도 여러 지리적 현상을 만들어낸다. 현재 기울기(약 23.4°)를 기준으로, 북위 66.6도(90° - 23.4°) 이상 지역과 남위 66.6도 이하 지역에서는 하루 종일 해가 지지 않는 백야나 하루 종일 해가 뜨지 않는 극야 현상이 나타난다. 이 경계가 되는 위도선을 각각 북극권과 남극권이라고 부른다. 또한, 북위 23.4도에서는 하지에 태양이 머리 바로 위(천정)를 지나가고, 남위 23.4도에서는 동지에 태양이 천정을 지나간다. 이 두 위도선을 각각 북회귀선과 남회귀선이라고 한다.

3. 3. 장기적인 변화

지구의 궤도면은 황도면으로 알려져 있으며, 지구 자전축의 기울기는 천문학자들에게 '황도 경사'로 알려져 있다. 이는 천구 상에서 황도와 천구 적도 사이의 각도를 의미하며,^[6] 그리스 문자 ε으로 표시된다.

지구는 현재 약 23.44°의 축 기울기를 가지고 있다.^[7] 이 값은 세차 운동 주기 동안 고정된 궤도면에 대해 거의 동일하게 유지되는 것처럼 보이지만,^[8] 황도(즉, 지구의 궤도) 자체가 다른 행성들의 섭동으로 인해 움직이기 때문에 황도 경사는 고정된 값이 아니다. 현재 황도 경사는 약 46.8″^[9]씩 세기마다 감소하고 있다.

2만 년 동안의 황도 경사각(라스카 (1986)에서). 빨간색 점은 2000년을 나타냅니다.

황도 경사각의 정확한 값은 지구와 행성의 움직임을 수년에 걸쳐 관측하여 알 수 있다. 천문학자들은 관측 정확도가 향상되고 역학에 대한 이해가 깊어짐에 따라 새로운 기본 천문력을 생성하며, 이를 통해 황도 경사각을 포함한 다양한 천문 값을 계산한다.

과거에는 뉴컴이 약 1895년까지의 행성 위치를 분석한 연구 결과를 바탕으로 특정 날짜의 평균 황도 경사각을 계산했다. B1900.0을 기준으로 한 계산식은 다음과 같다.^[17]

: ''ε'' = 23°27′8.26″ − 46.845″ ''T'' − 0.0059″ ''T''² + 0.00181″ ''T''³

여기서 ''ε''는 황도 경사각이고 ''T''는 해당 날짜까지 경과한 열대 세기이다.

1984년부터는 제트 추진 연구소(JPL)의 DE 시리즈 컴퓨터 생성 천문력이 기본 천문력으로 사용되었다. 1911년부터 1979년까지의 관측을 분석한 DE200을 기반으로 계산된 황도 경사각 식은 다음과 같다 (J2000.0 기준).^[18]

: ''ε'' = 23°26′21.448″ − 46.8150″ ''T'' − 0.00059″ ''T''² + 0.001813″ ''T''³

여기서 ''T''는 율리우스 세기이다.

JPL의 기본 천문력은 지속적으로 업데이트되어 왔다. 2006년 IAU의 P03 천문 모델 지지 결의안에 따라, 2010년의 ''천문력''에는 다음과 같은 식이 명시되었다.^[19]

: ''ε'' = 23°26′21.406″ − 46.836769″ ''T'' − 0.0001831″ ''T''² + 0.00200340″ ''T''³ − 5.76″ × 10⁻⁷ ''T''⁴ − 4.34″ × 10⁻⁸ ''T''⁵

이러한 황도 경사각 계산식들은 비교적 짧은 기간(수 세기 정도) 동안 높은 정밀도를 가지도록 설계되었다.^[20] 더 긴 시간 범위에 대한 예측을 위해 자크 라스카는 1000년 동안 0.02″, 10,000년 동안 몇 각초 이내의 오차를 갖는 ''T''¹⁰차 표현식을 계산했다 (J2000.0 기준).^[21]

:''ε'' = 23°26′21.448″ − 4680.93″ ''t'' − 1.55″ ''t''² + 1999.25″ ''t''³ − 51.38″ ''t''⁴ − 249.67″ ''t''⁵ − 39.05″ ''t''⁶ + 7.12″ ''t''⁷ + 27.87″ ''t''⁸ + 5.79″ ''t''⁹ + 2.45″ ''t''¹⁰

여기서 ''t''는 율리우스 년 10,000의 배수이다.

위에서 제시된 표현식들은 단기적인 변화가 평균화된 '평균' 황도 경사각을 나타낸다. 실제 지구 자전축은 달과 지구 궤도의 주기적인 움직임으로 인해 훨씬 작고(약 9.2 각초) 짧은 주기(약 18.6년)의 진동을 겪는데, 이를 천문학적 장동(nutation)이라고 한다.^[22]^[23] 실제 순간적인 황도 경사각인 '진실' 황도 경사각은 이러한 장동 효과를 포함한다.^[24]

4. 태양계 다른 천체들의 자전축 기울기

행성의 자전축 기울기를 지정하는 데에는 두 가지 표준 방법이 있다. 하나는 지구의 북극 방향과 관련하여 정의된 행성의 '북극'을 기준으로 하는 것이고, 다른 하나는 오른손 법칙으로 정의된 행성의 '양극'을 기준으로 하는 것이다.

국제천문연맹(IAU)은 행성의 '북극'을 태양계의 불변면의 지구 북쪽에 있는 것으로 정의한다.^[2] 이 기준에 따르면, 금성은 3° 기울어져 있으며 다른 행성 대부분과 반대 방향으로 역행 운동을 한다.^[3]^[4]
IAU는 또한 방향을 결정하기 위해 오른손 법칙을 사용하여 '양극'을 정의한다.^[5] 이 규칙을 사용하면 금성은 177° 기울어져 있으며("거꾸로 뒤집힌" 상태), 순행 자전을 하는 것으로 간주된다.

아래 표는 태양계 주요 천체들의 자전축 기울기를 보여준다.

천체	자전축 기울기(°)
수성	0.0352
금성	177.4
지구	23.5
달	6.688^†
화성	25.19
세레스	~4
목성	3.13
토성	26.73
천왕성	97.77
해왕성	28.32
명왕성	119.61
에리스	~78

† 황도면을 기준으로 한 달의 자전축 기울기는 1.5424°이다.

8개의 행성과 두 개의 왜행성, 세레스와 명왕성의 자전축 기울기 및 자전 속도

태양계의 가장 안쪽에 있는 네 개의 암석 행성(수성, 금성, 지구, 화성)은 과거에 자전축 기울기가 크게 변동했을 수 있다. 자전축 기울기는 자전축과 궤도면에 수직인 방향 사이의 각도이므로, 다른 행성의 영향으로 궤도면이 변함에 따라 달라질 수 있다. 또한, 태양이 행성의 적도 융기에 가하는 토크 때문에 자전축 세차 운동이 발생한다. 지구처럼 모든 암석 행성은 자전축 세차 운동을 겪는다. 만약 세차 운동 속도가 매우 빠르다면, 궤도면이 변하더라도 자전축 기울기는 비교적 일정하게 유지될 수 있다.^[32] 이 속도는 조석 소산 및 핵-맨틀 상호작용 등에 따라 달라진다. 행성의 세차 운동 속도가 특정 값에 가까워지면 궤도 공명이 발생하여 자전축 기울기의 큰 변화를 일으킬 수 있다.^[32]

수성과 금성은 태양의 조석 소산 효과에 의해 자전축 기울기가 안정화되었을 가능성이 크다. 화성의 자전축 기울기는 수백만 년에 걸쳐 상당히 변동하며 혼돈 상태에 있을 수 있다. 다른 행성들의 섭동 영향으로 수백만 년 동안 0°에서 60°까지 변할 수 있다는 연구 결과가 있다.^[26]^[33] 하지만 일부 연구자들은 화성의 자전축 기울기가 혼돈적이라는 주장에 이의를 제기하며, 조석 소산과 점성 핵-맨틀 결합이 수성 및 금성과 유사하게 완전히 안정된 상태에 도달하기에 충분하다고 주장하기도 한다.^[3]^[34] 화성 자전축 기울기의 주기적인 변화는 과거 화성에 강과 호수가 나타났다가 사라진 현상을 설명하는 가설로 제시되기도 한다. 기울기 변화가 대기 중 메탄 분출을 유발하여 온난화를 일으켰다가, 메탄이 파괴되면서 다시 건조한 기후로 돌아갔을 수 있다는 것이다.^[35]^[36]

바깥쪽의 목성형 행성(목성, 토성)과 천왕성형 행성(천왕성, 해왕성)의 자전축 기울기는 비교적 안정적인 것으로 간주된다. 특히 천왕성은 자전축이 거의 98° 기울어져 있어 거의 옆으로 누운 채 자전하며, 그 고리와 위성들의 궤도 또한 기울어져 있다. 금성은 자전축이 거의 180° 뒤집혀 다른 행성들과 반대 방향으로 자전한다. 반면 수성과 목성은 자전축이 거의 수직에 가깝게 서 있다.

5. 외계 행성의 자전축 기울기

별의 자전축 기울기 ''ψ''_s, 즉 별의 자전축이 행성 중 하나의 궤도면에 대해 기울어진 각도는 일부 시스템에서만 측정되었다. 2012년까지 49개의 별에 대해 하늘에 투영된 스핀-궤도 어긋남 ''λ''가 관찰되었는데,^[39] 이는 ''ψ''_s의 하한값으로 간주된다. 이러한 측정의 대부분은 로시터-맥러플린 효과를 이용한다. 케플러 우주 망원경과 같은 우주 기반 망원경이 관측을 시작하면서, 외계 행성의 자전축 기울기를 결정하고 추정하는 것이 가능해졌다. 행성의 회전으로 인한 편평도와 위성 또는 고리의 존재 여부는 정밀한 광도 측정을 통해 추적할 수 있으며, 이는 행성의 기울기 ''ψ''_p에 대한 정보를 제공한다. 이러한 방법을 통해 케플러-186f와 케플러-413b를 포함한 여러 외계 행성의 기울기가 밝혀졌다.^[40]^[41]

천체물리학자들은 조석 이론을 적용하여 외계 행성의 기울기를 예측하기도 한다. 연구에 따르면, 질량이 작은 별 주위의 생물권 내에 위치한 외계 행성의 자전축 기울기는 약 10억 년 이내에 크게 감소하는 경향이 있다.^[42]^[43] 이는 해당 행성들이 지구처럼 자전축 기울기에 의해 발생하는 뚜렷한 계절 변화를 겪지 않을 수 있음을 시사한다.

참조

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_[53] 문서 180°-119.59°=60.41°（正味）
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