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위상과 식

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작성자 타라곤 댓글 0건 조회 1,958회 작성일 12-06-14 23:18

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우리가 바라보는 달의 면은 항상 같으나 늘 쟁반같이 둥근 달로 보이는 것은 아니다. 달은 처음 초승달에서 상현달, 그리고 보름달을 거쳐 하현달, 다시 초승달로 돌아온다. 이렇게 달이 제 모습들을 규칙적으로 바꾸는데 걸리는 시간은 29.53일이며 이 시간주기를 달의 삭망월 주기(synodic period)라고 한다.

아래의 글을 클릭하면 100~2199년까지 달의 위상 변화를 볼 수 있다.
1800~2199년까지 날짜와 시간에 따른 달의 위상 변화.

달의 위상은 태양이 달을 어떤 각도에서 비추는가와 지구, 달, 태양의 상대적 위치에 따라 달라진다. 아래의 그림은 달이 지구 주위를 공전함에 따라 달의 모습이 어떻게 굴절되어 보이는지를 나타낸다. 달이 태양 근처에 있을때 태양 빛이 비치는 면은 작게 굴절된다. 사실 달과 태양 사이의 각거리가 짧을수록 굴절되는 빛의 양도 작아진다. 그 각거리가 90도 미만일 때, 달의 반 이상이 가려져 초승달로 보인다. 달은 구형이므로 빛이 비추는 부분과 그림자 진 곳의 경계가 둥굴게 굽어져 이 같이 보이는 것이다. 초승달(new phase)은 삭망월의 시작이다. 태양과 달이 이루는 각이 0도이면 그 때 일식(solar eclipse)이 일어난다.---초승달이 태양을 가리고 그 그림자가 지구의 어느 부분에 닿으면 그 지역의 사람들은 태양을 볼 수 없게 된다.

달의 그림자는 내부의 아주 어두운 부분인 본영(本影)과 외부의 덜 어두운 부분인 반영(半影)이 있다. 지구상의 관측자가 본영 안에 있으면 태양이 전부 달에 가려지는 개기일식(皆旣日蝕)이 일어나고, 반영 안의 관측자는 태양의 일부가 달에 가려지는 부분일식(部分日蝕)을 경험하게 된다. 달은 지구 주위를 타원궤도로 공전하고 있으므로 지구와의 거리가 일정하지 않다. 지구에서 달까지의 거리가 멀어져서 본영이 지구의 표면까지 미치지 못하는 때가 있는데 그러한 때에 본영의 원뿔이 연장된 곳에서는 태양이 달의 주위를 둘러싼 것 같은 금환일식(金環日蝕)이 일어난다.
태양과 90^°의 각을 이루는 경우 지구에서는 달의 1/4을 볼 수 있다. 이 때의 달을 현(quarter phase)이라 하는데 그것은 달의 항성주기(항성월) 중 1/4지점에 와 있기 때문이다. 초승달에서 시작한 달의 위상은 1주일 후에는 지구에서 볼 수 있는 총표면의 1/4로 보이는데 이를 상현(first quarter)이라고 부른다.

태양과 달이 이루는 각이 커질수록 우리가 볼 수 있는 달의 표면은 더욱 넓어지게 된다. 그러므로 달과 태양이 이루는 각도가 90^°를 넘으면 달표면의 반(1/2)이 지구에서 보인다(반달보다 크고 보름달 보다 작음).--- 철월(gibbous phase)이 그 명칭이며 여기서 ``Gibbous'' 는 달이나 행성 등의 모양을 묘사할 때 쓰는 표현으로, 반원보다 볼록한 상태를 의미한다. 태양에서 180^°정도에 있을 때 우리는 보름달을 보게 된다. 때로는( 1년에 두번 정도) 태양과 달이 이루는 각이 정확히 180^°인 경우도 있다. 이 때 지구의 그림자가 달을 가리게 되어 월식(lunar eclipse)이 일어난다.
초승달(신월)과 철월에 대해 부가적인 설명이 필요할 때도 있다. 달의 볼 수 있는 부분이 시간이 지남에 따라 커질때 우리는 달이 차오른다라고 표현한다. 반대로 시간이 지날 수록 달의 표면이 적게 보이는 경우에는 달이 기운다 라고 한다.

아래의 글을 클릭하면 달의 위상 변화 동영상이 나타나며 이 때 시선은 "both"로 선택해야 한다.
달의 위상 변화 동영상

우리는 위의 그림을 이용하여 언제 달을 볼 수 있는지 알 수 있다. 태양이 그림의 오른쪽에 있을때, 지구 위(A)의 관측자는 자오선 위의 태양을 본다. 지구는 시계 반대 방향으로 공전한다(A->B->C->D). B지역은 A지역보다 6시간이 더 빠르므로 B지역의 사람은 이 때 태양이 지는 것을 보게 된다. C지역은 A지역보다 무려 12시간이 빠르므로 C지역에 사는 관측자의 시계는 자정을 가리키고 있다. 그리고 지역 D에서는 일출이 시작된다. 달이 삭망월의 초기 위상(초승달)에 있을 때, D지역의 관측자는 초승달이 뜨는 것을 보고, A지역의 사람은 자신의 자오선 상에 있는 달을, 그리고 B의 관측자는 태양이 지는 몇 분 이내에 달이 지는 것을 본다.

달이 상현달일 때, A지역의 관측자가 달이 뜨는 것을 바라보는 동안 B지역의 관측자는 해가 질 때 남중한 달을 본다. C지역의 시간은 이미 자정이므로 그 지역의 관측자는 달이 지는 것을 보게 된다. 이러한 방식으로 우리는 B지역의 사람들은 해 질녘 보름달이 떠오르는 것을 보고, 동시에 시간적으로 자정인 C지역의 관측자에게는 보름달이 남중해 있으며, 해가 떠오르는 시간대의 D지역에서는 달이 져가고 있다. 이런 방법으로 하현달인 경우에는 언제쯤 월출이 시작되고, 남중하여 기울어 가는지 알아보자. A, B, C, D지역은 알파벳 순서로 6시간씩의 시간차가 나는 것을 고려하라.

만일 이런 방식으로도 이해하기가 어렵다면, 달 대신 하얀 배구공을, 태양 대신 밝은 전구를, 그리고 당신을 머리를 지구대신 이용한 실험을 통해 이해하도록 하자(실험은 빛이 들어오지 않는 방에서 한다). 당신이 전구를 정면으로 바라보고 있을때가 정오에 해당한다. 전구를 똑바로 바라보면서 배구공을 왼쪽 귀에 갖다 붙이면 배구공의 반 정도가 빛날 것이다. 그 때, 달의 위상은 상현이다. 당신이 머리를 시계반대 방향으로 90^°정도 돌리면 반정도가 빛나고 있는 공과 정면으로 마주보게 된다. 동시에 오른쪽 눈에는 구석쪽(서쪽)으로 전구가 보인다. 그 때, 일몰을 볼 수 있는 것이다. 이번에는 공을 당신 뒤로 오게 하되 당신의 머리 그림자가 공을 가리지 않게 하자. 공의 전체 면이 빛나지 않는가? 이 때 달은 보름달이다. 공을 정면으로 바라보지 말고 전구를 정면으로 바라볼 때의 위치에서 서쪽으로 90^° 몸을 돌려보자. 보름달 같이 보이는 공이 왼쪽 구석에 보일 것이다(동쪽). 이것은 공(달)이 떠오를 때, 전구(해)는 지고 있음을 잘 보여준다. 그러므로 전표면이 빛나는 공을 정면으로 바라볼 때 시각은 자정이 된다.

아래의 표는 언제 달을 볼 수 있으며 어디에서 초승달과 상,하현달을 볼 수 있는지 간략하게 정리해 놓은 것이다. 대낮에도 달을 볼 수 있다는 사실이 좀 놀라울 것이다

위상	시간 빠름/느림	떠오름 (동쪽하늘)	자오선을 통과함 (남쪽하늘)	짐 (서쪽하늘)
초승달	몇 분이내	일출	정오	일몰
상현	6시간 빠름	정오	일몰	자정
보름달	12시간 느림	일몰	자정	일출
하현	6시간 빠름	자정	일출	정오

달의 위상에 대한 그림을 보면 마치 매 월마다 일식이나 월식이 일어나야 할 것 같다. 그러나 사실상 식은 일년에 두 번밖에 일어나지 않는다. 달의 궤도를 잘 보면 그 이유를 알 수 있다. 달의 궤도는 지구의 공전궤도에 대해 5^°정도 기울어져 있다. 식이 일어나려면 달이 정확히 황도면을 지날 때, 그 위상은 초승달이나 보름달이어야 한다. 그러나 대개 달이 황도면과 교차할 때 그 위상은 보름달이나 초승달이 아니어서 식이 일어나지 않는다.

일년 동안 우주에서 달의 공전 방향은 거의 같은 방향이다. 달의 공전 방향이 일정한 반면 태양에 대한 달과 지구의 위치는 변한다. 그러므로 달이 보름달일 때, 황도의 아래에 있으면 그로부터 6개월 후에는 황도의 위에 오게 된다. 달은 한 달에 두 번씩 황도와 교차하지만 그 때마다 달은 완전한 보름달이나 초승달이 아니다 . 달의 궤도가 기울어진 것으로부터 일년에 오직 두 번만의 식이 일어나는 이유를 알 수 있다.

달의 공전 방향은 시간이 흐름에 따라 서서히 변해간다. 달 궤도가 세차운동을 하기 때문에 매 년 식이 일어나는 날짜는 다르다. 그러나 세차운동의 영향이 없다 하더라도 식은 일년에 두 번씩 밖에 일어나지 않을 것이다.
위의 그림은 또 다른 혼란을 준다 -- 달의 공전궤도는 타원형이므로 초승달과 지구 사이의 거리는 항상 달라지며 너무 멀리 떨어져 있을 때는 달의 그림자가 지구에 닿지 않는다.

삭망월 주기와 항성 주기(항성월)가 같지 않은 까닭은 무엇일까? 그것은 태양일과 항성일의 길이가 같지 않은 이유와 비슷하다. 태양의 겉보기 운동 때문에 태양일은 항성일보다 약간 더 길다. (태양의 겉보기 운동은 사실 지구가 태양 주위를 도는 운동이다.) 별들에 대해 동쪽으로 움직이는 태양의 운동은 즉, 달의 삭망월 주기가 항성 주기보다 더 길다는 것을 의미한다.

태양의 겉보기 운동을 생각하며 다음을 이해해보자. 삭망월 주기에서 달이 초승달일 때, 지구에서 보이는 태양과 달의 배경별들은 같다. 한 항성 주기(항성월)후에 달은 초기의 위치로 돌아오며 배경별도 초기와 같다. 그러나 태양은 그 기간동안 동쪽으로 이동해 갔고 달은 아직 태양이 간 만큼 가지 못했다. 그러므로 다시 초승달이 되기 위해 달은 태양과 같은 위치에 있어야 하므로 이틀을 더 가야 한다.

달이 지구를 도는 공전 궤도의 어디에 위치하는가에 따라 지구에서 바라보는 달의 모습은 항상 달라진다. 이는 또한 지구-달-태양의 상대적 위치와도 관계가 있는 것이다. 달의 위상 변화에 대한 다른 모델은 매우 자신감 넘치던 하버드의 4학년 학생들이 제안한 것으로서 달의 어두운 부분은 달의 일부가 지구의 그림자에 가려지기 때문이라는 것이다. 다른 많은 사람들도 달의 위상 변화를 지구 그림자 모델로 설명하였으나 여기서는 "하버드 모델"로 명칭하겠다.

달이 지구 그림자에 가려지기 위해서는 태양과 정반대의 방향에 있어야 한다. 이 "하버드 "모델은 태양과 달이 이루는 실제 각도가 지구에서 관측된 각과 다를 것이라고 예측하고, 달은 태양으로부터 12시간 차가 나는 거리에 있어야 한다고 말했다. 보름달을 제외한 모든 위상의 달은 일출 후 12시간 후에 떠오르며, 태양이 남중하고 12시간 후에 남중하여 다시 태양이 진 12시간 후에 진다고 하였다. 이것은 관측된 사실과 어떻게 다른가?

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