시간과 계절
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작성자 타라곤 댓글 0건 조회 1,786회 작성일 12-06-14 23:15
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태양일과 항성일(Solar and Sidereal Day)
우리의 시간는 태양일에 기초하여 흐르고 있으며 태양은 별들에 대해 매일 1도씩 동쪽으로 이동하고 있다. 이는 곧 우리가 오랜 기간을 두고 별들을 관측하게 되는 경우 별들이 매일 4분씩 일찍 뜨고 지게 되는 것을 뜻한다. 우리의 시계는 하루가 24시간이라는 것에 기초하므로 별들이 매일 4분씩 일찍 뜨고 지는 것은 별들이 23시간 56분의 주기로 일주운동한다는 것이다. 이러한 시간주기는 별들에 대해 측정되는 값이므로 우리는 이를 항성일(idereal day)이라 한다. 이것은 지구의 실제 자전주기이며 지구가 궤도의 어디에 있든 항성일의 길이는 언제나 같다. --- 항성일은 항상 23시간 56분이다. 한 달(30일) 후 별은 예전에 뜨던 시간 보다 무려 두 시간(30일 × 4분/하루 = 120분)이나 일찍 떠오른다. 일년 후에 이 별은 다시 오늘 떠오른 시각에 뜰 것이다.항성일의 길이를 알 수 있는 다른 방법은 태양이 1년 365.24일 동안 황도를 따라 운행하는 것을 관측하는 것이다(하루에 거의 1도씩 움직인다). 태양이 남중하고 다음번 남중할 때까지 지구는 24시간 동안 360도가 아닌 거의 361도를 자전한다. 이것은 태양일의 길이를 배경별들에 대한 실제 자전 길이(23시간 56분)보다 좀 더 길게 만든다.
우주에서 보는 태양일과 항성일
좀 더 과학적이고 현대적인 관점에서 이 문제를 살펴보자. 우리가 이미 알다시피 지구는 태양 주위를 364.24일의 주기로 공전하고, 매일같이 23시간 56분씩 자전까지 하는 바쁜 행성이다. 그리고 지구의 자전면은 공전면에 대해 약 23.5도 기울어져 있다.
지구의 자전축은 항상 천구북극을 향하고 있다. 그리고 천구북극은 북극성에 매우 가깝게 있다. 위의 그림에서 지구의 궤도는 거의 원에 가까운 타원궤도임을 알 수있다.
정오에 커다란 화살이 태양을 향하고 있고 태양의 바로 뒤에 별 하나가 있다고 상상해 보자. 지구에서 그 광경을 바라보는 사람은 지평선 위로 태양이 있을 수 있는 가장 높은 곳에서 태양을 볼 수있다 : 북점- 천정- 남점을 연결하는 자오선위의 태양. 이 때의 정오를 지방 정오(local noon)라 한다. 만일 태양을 볼 수 없었다면, 그 관측자는 태양 대신 태양 바로 뒤의 별을 볼 수 있었을 것이다.

현재에도 시간은 계속해서 흐르므로 지구는 지구의 공전궤도를 따라 운행하며 서에서 동으로 자전할 것이다.(북극에서 바라보는 경우 자전과 공전의 방향은 모두 시계 반대 방향이 될 것이다.) 한 항성일(23시간 56분) 또는 한 번의 자전 후, 태양을 향하던 화살은 태양 바로 뒤에 있던 그 별을 향해 있을 것이다. 지구 위의 관측자는 자오선상의 별을 보고 있는 것이다.그러나 화살은 더 이상 태양의 중심을 향하고 있지는 않다! 그러기 위해서는 지구가 약간 더 돌아야 하니까. 태양은 자오선에서 약간 동쪽으로 떨어져 있다. 지구가 4분 또는 1도 더 돈 후 태양이 다시 남중하여 그 관측자는 1태양일을 지나게 되는 것이다. 이 상황은 지구가 1항성일 동안 1도씩 지구 공전궤도를 움직임을 기하학적으로 보여준다. 예를 들면, 그 날밤 이 관측자는 황소자리에 있는 몇 몇의 별들이 이렇게 보이는 것을 경험할 것이다. (지구의 자전축은 아직도 북극성을 향하고 있다는 것에 주의하라). 약 6개월 후에 황소자리는 볼 수 없으나 전갈자리의 별들을 볼 수 있다. (아직도 지구의 자전축은 북극성을 향하고 있다.)어떤 행성도 한 항성일 동안 움직인 각도 만큼에 해당하는 각도만큼 더 돌아야 태양이 다시 남중하는 것을 볼 수 있다.
1태양일을 만들기 위해 더 돌아야하는 여분의 각은 = (더 돌아야 하는 각)/(자전률). 지구의 경우, 자전률 = 360°/23.9333 시간 = 15°/시간 또는1°/4분이다. 계산의 편리를 위해 56분을 소수로 고쳐 나누었다. 따라서 태양일과 항성일의 시간차는 (1도/(1도/4 분) = 4분이 된다.
지구의 항성일은 항상 23시간 56분이다. 그러나 태양일의 경우 자세히 관측해 보면 때로는 24시간 보다 길고 또 어떤 때는24시간보다 짧음을 알 수 있을 것이다. 그 이유는 아래에 있는 지구의 공전궤도가 완전한 원이 아닌 타원형이고, 태양은 천구적도에 대해 수평한 궤도를 돌지 않기 때문이다. 이런 현상은 시간 방정식(Equation of Time)부분에서 자세히 설명할 것이다. 1태양일을 24시간으로 한 것은 연간 태양일들의 평균값이다.
지구 자전축의 세차운동은 항성시와 태양시의 또 다른 차이점을 말해준다. 이것은 일년의 길이가 어떻게 측정되느냐를 통해 알 수 있다. 일년은 지구의 공전주기로 정의된다. 그러나, 만일 우리가 태양의 위치로 방향을 잡아가는 경우 별들의 위치를 이용하는 것보다 약 20분이나 짧아진 시간차를 발견하게 된다. 별자리들이 360도의 완전한 원궤도를 그리고 다시 초기 위치까지 돌아오는데 걸리는 시간을 항성년(sidereal year)이라고 한다. 이 시간은 지구가 태양 주위를 한 바퀴 도는데 걸리는 정확한 시간으로 365.2564 태양일과 같다.
세차운동으로 인한 항성 좌표의 이동은 태양이 1항성년 후 천구적도에 대해 정확히 초기점으로 돌아올 수 없음을 의미한다. 태양년(tropical year)은 태양이 춘분점에서 시작하여 다시 춘분점까지 오는데 걸리는 시간이다. 이 시간은 365.2422태양일이고 우리의 달력은 이 태양년을 바탕으로 만들어진다. 몇 천년 후까지 우리가 태양년을 바탕으로 하는 달력에 따라 생활한다며 , 항성년과 태양년 사이 20분의 시간차는 여름이 몇 개월이나 일찍 오게 할 것이다.
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