식과 행성의 겉보기 운동
본문밤하늘에서 화성의 위치를 몇 달 동안 기록하면, 화성은 별자리 사이를 서쪽에서 동쪽으로 조금씩 움직이다가 어느 순간 멈추고 거꾸로 서쪽으로 간다. 그러다 다시 동쪽으로 간다. 옛사람들은 이 이상한 움직임을 설명하려고 오랫동안 애썼다. 화성은 정말 뒤로 가는 것일까? 그리고 달이 매달 지구 둘레를 도는데도 일식과 월식은 왜 매달 일어나지 않을까?
3.1.1일식과 월식
일식은 달이 태양을 가리는 현상으로, 태양-달-지구가 일직선에 놓이는 삭일 때 일어난다. 월식은 달이 지구의 그림자 속에 들어가는 현상으로, 태양-지구-달이 일직선에 놓이는 망일 때 일어난다. 그런데 달의 공전 궤도면은 지구의 공전 궤도면(황도면)에 대해 약 5° 기울어져 있다. 그래서 대부분의 삭과 망에는 달이 황도면보다 위나 아래로 비껴 지나가 식이 일어나지 않는다.
삭이나 망일 때 달이 황도면과 달 궤도가 만나는 점(교점) 근처에 있어야 식이 일어난다. 이 조건은 1년에 두 번 정도의 시기에만 맞으므로, 식은 매달이 아니라 해마다 몇 번씩 일어난다.
일식은 달의 그림자가 닿는 좁은 지역에서만 볼 수 있지만, 월식은 달이 떠 있는 지구 반쪽 어디에서나 볼 수 있다. 그래서 한 장소에서는 월식을 일식보다 훨씬 자주 볼 수 있다. 개기 일식은 같은 장소에서 평균 수백 년에 한 번 정도만 볼 수 있다.1
3.1.2행성의 겉보기 운동
행성은 별자리 사이를 대체로 서쪽에서 동쪽으로 움직이는데, 이를 순행이라 한다. 가끔 동쪽에서 서쪽으로 움직이는 역행이 나타나고, 순행과 역행이 바뀌는 때에는 멈춘 듯이 보인다(유).
코페르니쿠스는 태양 중심설로 역행을 간단히 설명했다. 안쪽 궤도의 지구가 바깥쪽 화성보다 빨리 공전하므로, 지구가 화성을 앞지르는 동안에는 지구에서 본 화성이 뒤로 처지는 것처럼 보인다. 고속도로에서 느린 차를 추월할 때 그 차가 뒤로 가는 것처럼 보이는 것과 같다. 그림 1에서 시간을 움직이며 화성의 겉보기 위치가 언제 거꾸로 가는지 확인해 보자. 역행은 지구와 화성이 태양의 같은 쪽에 나란히 놓이는 무렵에 일어난다.
3.1.3예제 풀이
지구의 공전 주기는 1년, 화성은 1.88년이다. 지구가 화성을 한 번 앞지른 뒤 다시 앞지를 때까지, 곧 화성의 역행이 다시 일어날 때까지 걸리는 시간(회합 주기)을 구하여라.
1년에 지구는 360°, 화성은 \(\dfrac{360°}{1.88} \approx 191.5°\)를 돈다. 지구가 화성보다 1년에 \(360° - 191.5° = 168.5°\)씩 더 돈다.
한 바퀴 360°를 더 돌아야 다시 나란해지므로 \(\dfrac{360}{168.5} \approx 2.14\)년이 걸린다. 식으로는 \(\dfrac{1}{S} = \dfrac{1}{1} - \dfrac{1}{1.88}\)에서 \(S \approx 2.14\)년이다. 그래서 화성의 역행은 약 2년 2개월마다 되풀이되고, 이때가 지구와 화성이 가장 가까워 화성이 가장 밝게 보이는 충의 시기이다.
아래 탐구 카드에서 일식과 월식의 조건, 식의 종류, 행성의 역행을 직접 다루어 보자.
- 달과 지구 사이의 거리가 달라지므로 같은 일식이라도 달이 태양을 완전히 가리는 개기 일식과, 가장자리가 고리처럼 남는 금환 일식이 있다.
식은 삭이나 망일 때 달이 교점 근처에 있어야 일어나므로 매달 일어나지 않는다. 행성의 역행은 안쪽의 지구가 바깥 행성을 앞지를 때 생기는 겉보기 운동이다. 그래서 처음 질문의 화성은 실제로 뒤로 가는 것이 아니라, 더 빨리 공전하는 지구가 화성을 추월하는 동안 뒤로 가는 것처럼 보일 뿐이다.
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