지구의 궤도
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1. 개요
지구의 궤도는 지구가 태양을 중심으로 회전하는 경로를 의미한다. 태양중심설은 지구가 태양을 공전한다는 과학적 모델이며, 코페르니쿠스는 지동설을 통해 행성의 겉보기 역행 운동 문제를 해결했다. 지구의 자전축 기울기는 계절 변화를 일으키며, 대한민국은 뚜렷한 사계절을 보인다. 천문학에서는 4계절을 분점과 지점으로 정의하며, 지구는 1월에 태양에 가장 가깝고 7월에 가장 멀어진다. 지구의 궤도는 오랜 시간 동안 안정적으로 유지될 것으로 예측되지만, 궤도 예측에는 불확실성이 존재한다.
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| 지구의 궤도 | |
|---|---|
| 궤도 특성 | |
| 천체 | 태양 |
| 긴반지름 | 149.60 × 10^6 km (0.9997266 AU) |
| 궤도 이심률 | 0.0167086 |
| 궤도 주기 | 365.256일 |
| 항성년 | 365.256363004일 |
| 근일점 | 147.095 × 10^6 km (0.98329 AU) |
| 원일점 | 152.10 × 10^6 km (1.01671 AU) |
| 평균 궤도 속도 | 29.78 km/s |
| 전체 거리 | 940 × 10^6 km |
| 특징 | |
| 설명 | 지구는 태양을 타원 궤도로 공전하며, 태양과의 평균 거리는 약 1억 4960만 킬로미터이다. |
| 공전 속도 | 약 29.78 킬로미터/초 |
| 궤도 형태 | 지구의 궤도는 완전한 원이 아닌 타원이며, 이로 인해 태양과의 거리가 변한다. |
| 계절 변화 | 지구 자전축의 기울기와 공전 궤도로 인해 계절이 발생한다. |
| 춘분점 | 춘분점은 태양이 천구 적도를 통과하는 시점이며, 지구의 궤도 운동으로 인해 매년 조금씩 이동한다. |
| 지구의 궤도면 | 지구의 궤도면은 다른 행성들의 궤도면과 비교하여 상대적으로 안정적이다. |
| 궤도 꼭짓점 | 지구 궤도의 꼭짓점 |
2. 연구 역사
태양중심설(지동설)은 태양계의 중심에 태양이 있고, 지구가 그 주위를 공전한다는 과학적 모델이다. 역사적으로 지구중심설(천동설)과 대립하였다. 기원전 3세기에 사모스의 아리스타르코스가 이미 태양중심설을 제기하였으며, 16세기 니콜라우스 코페르니쿠스의 저서 "천구의 회전에 관하여"를 통해 태양중심설에 대한 논의가 본격화되었으며, 이는 코페르니쿠스 혁명으로 이어진다.[23][24] 코페르니쿠스 혁명은 행성의 겉보기 역행 운동이 착시 현상일 뿐이라고 주장하여 문제를 해결하였다. 역사가 제리 브로턴에 따르면, "코페르니쿠스의 획기적인 저서가 ... 한 세기 전에 [출판]되었지만, [네덜란드 지도 제작자] 요안 블라우가 그의 혁명적인 지동설을 세계 지도에 통합한 최초의 지도 제작자였다."[8]
2. 1. 코페르니쿠스와 태양중심설
태양중심설(지동설)은 태양계의 중심에 태양을 두고 주변에 행성을 배치한 최초의 과학 모형이다. 역사적으로 태양중심설은 지구를 중심에 둔 지구중심설(천동설)과 대립하였다. 기원전 3세기에 사모스의 아리스타르코스가 이미 태양중심설을 제기하였으며, 16세기에 니콜라우스 코페르니쿠스의 "천구의 회전에 관하여"를 통해[23] 2세기 프톨레마이오스가 지구중심설을 설명한 것과 유사하게 태양중심설에 대한 논의가 시작되었다. 이 코페르니쿠스 혁명을 통해, 행성의 역행 운동 문제를 사실 착시에 의한 것뿐이라고 주장함으로서 해결하였다.[24]지동설은 태양을 태양계의 중심으로 놓고, 지구를 포함한 행성들이 태양을 공전한다는 과학적 모델이다. 역사적으로 지동설은 지구를 우주의 중심으로 둔 천동설과 대립한다. 이미 기원전 3세기에 사모스의 아리스타르코스는 지동설을 제안했다. 16세기에 니콜라우스 코페르니쿠스의 저서 ''천체의 회전에 관하여''는 프톨레마이오스가 2세기에 천동설을 제시한 것과 유사하게 코페르니쿠스적 지동설에 대한 완전한 논의를 제시했다.[7] 이 "코페르니쿠스 혁명"은 행성의 겉보기 역행 운동이 단지 지각되고 겉으로 드러나는 현상일 뿐이라고 주장함으로써 이 문제를 해결했다.
3. 지구에서의 영향
지구의 자전축 기울기(황도면에 대한 경사각)는 지구 표면에서 관측되는 태양의 궤적에 영향을 미친다.[9] 북반구에서 북극이 태양 쪽으로 기울어지면 낮이 길어지고 태양의 고도가 높아져 기온이 상승한다. 반대로 북극이 태양 반대쪽으로 기울어지면 낮이 짧아지고 태양의 고도가 낮아져 기온이 하강한다. 북극권과 남극권에서는 태양이 뜨지 않는 극야와 태양이 지지 않는 백야 현상이 나타난다.[25]
3. 1. 계절 변화
지구의 자전축 기울기(황도면에 대한 경사각) 때문에, 지구 표면에서 본 태양의 궤적은 한 해에 걸쳐 달라진다. 북반구에 있는 관측자는 북극이 태양 쪽으로 기울어졌을 때 태양이 더 오래 뜨고 태양의 고도가 더 높아지는데, 이로 인해 태양의 복사 에너지 도달량이 많아져 평균 온도가 올라간다. 북극이 태양 반대편을 향하면 반대의 현상이 일어나 평균 온도가 낮아진다. 북극권 북쪽과 남극권 남쪽에서는 태양이 아예 뜨지 않는 시기나, 태양이 지지 않는 시기가 생겨 극한 기후가 발생한다. 이 현상을 극야와 백야로 부른다. 이러한 기후의 변화를 통틀어 보통 계절이라 칭한다.[25]3. 2. 대한민국에서의 계절
대한민국은 북반구에 위치하여 뚜렷한 사계절을 보인다. 봄에는 온화하고 건조하며, 황사 현상이 나타나기도 한다. 여름에는 고온 다습하며, 장마철에는 많은 비가 내린다. 가을에는 맑고 건조하며, 단풍이 아름답게 물든다. 겨울에는 춥고 건조하며, 시베리아 기단의 영향으로 한파가 찾아오기도 한다.지구의 자전축 기울기 때문에 지구 표면에서 본 태양의 궤적은 한 해에 걸쳐 달라진다. 북반구에 있는 관측자는 북극이 태양 쪽으로 기울어졌을 때 태양이 더 오래 뜨고 태양의 고도가 더 높아지는데, 이로 인해 태양의 복사 에너지 도달량이 많아져 평균 온도가 올라간다. 북극이 태양 반대편을 향하면 반대의 현상이 일어나 평균 온도가 낮아진다. 북극권 북쪽과 남극권 남쪽에서는 태양이 아예 뜨지 않는 시기나, 태양이 지지 않는 시기가 생겨 극한 기후가 발생한다. 이 현상을 극야와 백야로 부른다.[25]
4. 궤도 상의 사건
천문학에서는 지점과 분점으로 사계절을 정의한다. 지점은 지구 자전축이 태양에서 가장 가깝거나 멀리 떨어지는 위치이고, 분점은 지구 자전축이 태양 방향과 수직이 되는 위치이다.[26]
4. 1. 분점과 지점
천문학에서 4계절은 지점(지구의 자전축이 태양에서 가장 가깝거나 멀리 떨어지는 위치)과 분점(지구의 자전축이 태양 방향과 완전히 수직이 되는 위치)으로 정의된다.[26] 지점과 분점은 1년을 4등분한다. 북반구 기준 춘분은 3월 20일 경, 하지는 6월 21일 경, 추분은 9월 23일 경, 동지는 12월 21일 경 발생한다.[26] 남반구에서는 자전축 기울기에 의한 영향이 반대이기 때문에, 분점과 지점의 효과가 반대가 된다.
지점, 분점, 근일점 및 원일점까지 그린 선의 관계는 위 그림에 나타나 있다. 지구는 근일점(1월 2일~5일), 춘분점(3월 19일~21일), 하지점(6월 20일~22일), 원일점(7월 3일~5일), 추분점(9월 22일~24일), 동지점(12월 21일~23일) 순서로 진행한다.[26]
4. 2. 근일점과 원일점
현대에 지구의 근일점은 1월 3일 경, 원일점은 7월 4일 경 일어난다.[27] 즉, 지구는 1월에 태양에 가장 가깝고, 7월에 태양에서 가장 멀다. 북반구 기준으로는 태양과 가장 가까울 때 겨울이 되므로 직관과 다르게 보이지만, 태양과 지구 사이의 거리로 인한 에너지 차이는 7% 정도밖에 되지 않는다.[27] 남반구에서는 자전축이 기울어지는 시기와 지구와 태양이 가까워지는 시기가 일치하여, 북반구에 비해 에너지를 약간 더 받지만, 자전축 기울기 때문에 발생하는 에너지 불균형에 비해 이 에너지 불균형은 매우 적고, 남반구에는 물이 더 많기 때문에 초과로 받는 에너지는 물에 거의 전부 흡수된다.[28]
4. 3. 힐 권
지구의 힐 권(중력 영향권)은 반지름이 약 1500000km (0.01 AU)이며, 지구와 달 사이의 거리의 약 4배이다.[29][30] 힐 권은 지구의 중력 영향이 태양 등 다른 천체보다 더 강한 구역이다. 지구를 공전하는 물체는 이 힐 권 안에 있어야 하며, 밖으로 나갈 경우 태양의 중력적 섭동에 영향을 받는다.4. 4. 궤도 요소
| 역기점 | J2000.0 |
| 원일점 | 152.1e6km 1.0167 AU |
| 근일점 | 147.1e6km 0.98329 AU |
| 궤도 긴반지름 | 149.6e6km 1.000001018 AU |
| 궤도 이심률 | 0.0167086 |
| 궤도 경사 | 태양의 적도 기준 7.155° 불변면 기준 1.578690° |
| 승교점 경도 | 174.9° |
| 근일점 경도 | 102.9° |
| 근점 편각 | 288.1° |
| 공전 주기 | 일[31] |
| 평균 공전 속도 | [22] |
| 원일점에서의 속도 | [22] |
| 근일점에서의 속도 | [22] |
5. 미래
여러 천문학자와 수학자들은 행성 운동의 안정성에 대한 증거를 찾기 위해 노력했으며, 이 과정에서 여러 수학 이론이 개발되었고, 태양계의 안정성에 대한 여러 "증거"를 찾아냈다.[32] 지구의 궤도는 오랜 시간 동안 안정적으로 유지될 것으로 예측하고 있다.[33]
1989년 자크 라스카의 연구 결과에서는 지구의 궤도가 혼란스럽게 변할 수 있으며, 지구의 위치를 15m만 다르게 입력해도 1억 년 후 지구의 궤도를 추정하는 것이 불가능해진다는 것이 밝혀졌다.[34] 태양계 모형을 만드는 것은 다체 문제에 해당한다.
5. 1. 태양계의 안정성
라플라스, 라그랑주, 가우스, 푸앵카레, 안드레이 콜모고로프, 블라디미르 아르놀트, 위르겐 모저 등 여러 천문학자와 수학자는 행성 운동의 안정성을 증명하기 위해 노력했으며, 이 과정에서 여러 수학 이론이 개발되었고, 태양계의 안정성에 대한 여러 "증거"를 찾아냈다.[32] 지구의 궤도는 오랜 시간 동안 안정적으로 유지될 것으로 예측된다.[33]1989년 자크 라스카의 연구 결과에 따르면, 지구의 궤도가 혼란스럽게 변할 수 있으며, 지구의 초기 위치 측정에서 15m 정도의 작은 오차만 있어도 1억 년 후 지구의 궤도를 예측하는 것은 불가능하다.[34] 태양계 모형을 만드는 것은 다체 문제에 해당한다.
참조
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