태양과 달리 별 같은 천체는 하루에 한 번 동쪽에서 떠서 서쪽으로 집니다. 지구의 자전으로 인한 천체들이 이러한 움직임을 이주 운동이라 합니다. 오늘은 지구와 달의 자전 및 공전에 대해 알아보겠습니다.
1)지구의 자전을 어떻게 알 수 있을까요?
달이 지구 둘레를 도는 것처럼 태양과 별도 정말 지구 둘레를 도는 걸까요? 고대 그리스의 천문학자 프톨레마이오스는 천체들이 지구를 돌고 있는 것처럼 보이는 일주 운동이 천체들의 움직임 때문에 일어난다고 주장했습니다. 사실 사람들은 지구가 움직인다는 것을 느끼지 못합니다. 그래서 사람들은 오랫동안 프톨레마이오스가 옳다고 생각했습니다. 지구에서 가장 가까운 천체는 달입니다. 태양은 달보다 멀고 별은 태양보다 더 멀지요. 달과 태양과 별이 지구 둘레의 원을 따라 움직인다면 원의 둘레는 지구에서 볼수록 길어집니다. 그리니 프톨레마이오스의 주장에 따르면 태양은 달보다 빠르게 달려야 하고, 별은 태양보다 상상할 수 없을 정도로 엄청나게 빨리 달려야 합니다. 지구는 서쪽에서 동쪽으로 자전합니다. 프톨레마이오스보다 1400년쯤 늦게 태어난 폴란드이 천문학자 코페르니쿠스는 일주 운동을 훨씬 간단하게 설명했습니다. 모든 천체가 하루에 한 번 동쪽으로 자전하기 때문이라는 겁니다. 지구는 하루에 한 번 자전합니다. 제자리에서 빙글빙글 돌면 주변 경치가 내 둘레를 도는 것처럼 보입니다.이처럼 지구가 빙글빙글 돌기 때문에 모든 천체가 지구둘레를 도는 것처럼 보이는 것입니다. 햇빛은 언제나 지구의 절반을 비춥니다. 햇빛이 비추는 밝은 쪽이 낮이고 그 반대쪽이 밤입니다. 낮과 밤이 하루에 한 번씩 바뀌는 것은 지구가 하루에 한 번 자전하기 때문입니다. 그런데 지구의 자전축은 약간 기울어져 있어서 곳에 따라 낮과 밤의 길이가 달라지는 것입니다. 북극성은 별이면서도 일주 운동을 하지 않고 언제나 제자리에 멈추어 있습니다. 북극성이 제자리에서 움직이지 않는 이유는 지구의 자전으로 쉽게 설명할 수 있습니다. 북극성은 지구의 자전축 방향에 있기 때문에 움직이지 않는 것입니다.
2) 달도 지구처럼 자전과 공전을 할까요?
해바라기가 언제나 해를 바라보듯이 달도 언제나 지구를 바라봅니다. 그런데 달에서 지구를 향하고 있는 면은 언제나 같습니다. 지금까지 지구엣 달의 뒷면을 본 사람은 아무도 없습니다. 지구의 양쪽 끝에서는 달이 조금 다르게 보입니다. 달의 표면에서 지구를 향하고 있는 쪽을 앞면이라고 부르는데, 달은 언제나 앞면만 보여 주기 때문입니다. 그건 달이 지구 둘레를 한 번 공전하는 동안 한 번 자전하기 때문에 나타나는 현상입니다. 달 표면에는 어두운 무늬가 보입니다. 만일 우리가 달의 모든 면을 볼 수 있다면 이 무늬들은 매번 바뀔 것입니다. 하지만 달 표면의 무늬는 변하지 않습니다. 그건 달의 한쪽 면만 볼 수 있기 때문입니다. 달의 뒷면은 탐사선이 찍은 사진으로만 볼 수 있습니다. 달은 어느 쪽에서 보느냐에 따라 다르게 보이기도합니다. 친구 앞에 서서 똑바로 바라보면 친구의 양쪽 귀가 잘 보이지 않을 것입니다. 왼쪽으로 몇 걸음 움직여서 보면 친구의 오른쪽 귀가 좀 더 잘 보이고, 오른쪽으로 몇 걸음 움직여서 보면 친구의 왼쪽 귀가 좀 더 잘 보입니다. 이처럼 지구의 양쪽 끝에서는 달의 보이는 부분이 조금 달라집니다. 그 때문에 하루 동안 볼 수 있는 달 표면은 절반이 약간 넘습니다. 지구는 달을 끌어당기는데, 그 침이 바로 중력입니다. 달에 작용하는 지구의 중력 크기는 달의 부분마다 다릅니다. 중력은 거리가 가까울수록 세고 거리가 멀수록 약해지기 때문입니다. 그래서 지구의 중력이 가자 세게 작용하는 부분은 지구에서 가장 가까운 달의 앞면 가운데입니다. 옛날에는 지구를 기준으로 달이 스스로 빙글빙글 돌아서 달의 앞면뿐 아니라 옆면과 뒷면도 볼 수 있다고 합니다. 하지만 지구의 중력 때문에 저마 도는 속도가 느려져서 달의 한쪽 면만 볼 수 있게 되었을 것입니다.
3) 달이 뜨는 시간은 언제나 같을까요?
같은 시간대라도 달이 떠 있는 위치는 매일 달라집니다. 달이 뜨는 시간이 조금씩 늦어지기 때문입니다. 태양은 매일 정오에 남쪽 하늘에 떠 있습니다. 같은 시간에 같은 위치에 떠 있습니다. 그러면 달은 어떨까요? 매일 저녁 7시쯤 달을 관찰해 보면 첫날에는 태양이 진 뒤 서쪽 하늘에 달이 떠 있을 것입니다. 그다음 날에도 달은 서쪽 하늘에 떠 있습니다. 그런데 달의 위치는 전날보다 약간 동쪽으로 옮겨 갑니다. 달의 위치 이동은 날이 갈수록 확실히 알 수 있습니다. 달은 일주일쯤 지나면 남쪽 하늘에 떠 있고, 보름쯤 지나면 동쪽 하늘에 떠 있습니다. 같은 시간에 달이 떠 있는 위치가 매일 동쪽으로 조금씩 이동하는 것은 달이 매일 늦게 뜨기 때문입니다. 달이 뜨는 시간은 매일 50분씩 늦어집니다. 달이 오늘 저녁 7시에 동쪽 지평선에서 떠올랐다면, 내일은 저녁 7시 50분이 되어야 동쪽 지평선에서 떠오른다는 것입니다. 달과 별은 일주 운동을 합니다. 그런데 달은 일주 운동을 하는 동안에도 계속 지구 둘레를 공전하고 있습니다. 달의 공전주기는 27.3일로 하루에 약13.2º씩 움직입니다. 그런데 달의 모양이 변하는 주기는 29.5일입니다. 한 바퀴 도는 게 360 º 를 29.5일로 나누면 약 12.2 º가 됩니다. 12.2 º는 시간상으로 48.8분입니다. 그래서 약 50분의 차이가 생깁니다. 달 주변의 별자리를 기준으로 달을 관찬해 보면 달이 공전하는 걸 알 수 있습니다. 달은 하룻밤에 서쪽에서 동쪽으로 별자리 사이를 움직입니다. 일주 운동과 반대 반향으로 움직입니다. 이것도 달이 공전하기 때문입니다. 그래서 달이 뜨는 시간이 매일 조금씩 늦어지는 것입니다. 지평선에 뜬 보름달은 아주 크게 보이지만 높이 떠오르면서 점점 작게 보입니다. 그렇다고 보름달이 진짜 커지거나 작아지는 것은 아닙니다. 보름달의 크기는 언제나 같은데 주변 풍경 때문에 우리 눈이 착각을 일으켜서 다른 크기로 보일 뿐입니다. 보름달이 꽉 차게 보이는 대롱으로 관찰해 보면 보름달이 어디에 떠 있든 같은 크기로 보일 것입니다. 또한 보름달을 사직으로 찍으면 달의 크기가 언제나 같다는 것을 확실히 알 수 있습니다.