달의 위상 변화 우리의 하늘에서 보는 미스터리

 
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유튜브 : https://www.youtube.com/watch?v=91ofy5vwAFI

 
 
안녕하세요, 과학쉽다 입니다.
지난 글에서는 달의 탄생 가설들과 그 논리적 허점들, 그리고 달이 매년 약 3.8센티미터씩 지구로부터 멀어지는 이유에 대해 알아봤습니다.
이번 글에서는 달의 신비로운 변화에 대해 알아보겠습니다. 밤하늘을 올려다보면 가장 눈에 띄는 달은 한 달을 주기로 그 모양이 변화합니다. 이번 영상에서는 달의 위상이 바뀌는 이유와 일식과 월식이 발생하는 원리를 자세히 살펴보겠습니다.
 
 

♦️달의 물리적 특징

달은 지름 3,476km로, 지구의 유일한 위성며, 이 위성의 크기는 목성의 가니메데(5,262km) 토성의 타이탄(5,151km), 목성의 칼리스토(4,821km), 이오(3,643km) 다음으로, 태양계에서 5번째로 큰 위성입니다. 달의 지름은 지구 지름의 약 4분의 1, 부피는 약 50분의 1이며, 표면 중력은 지구의 약 17% 수준입니다. 이는 태양계의 다른 위성들과 비교했을 때 매우 큰 비율로, 달과 지구의 독특한 관계를 보여줍니다.

 
우리가 지구에서 보는 달은 항상 같은 면만 보입니다. 이는 달의 공전주기(지구를 한 바퀴 도는 시간)와 자전주기(달이 자신의 축을 중심으로 한 바퀴 도는 시간)가 모두 27.3일로 동일하기 때문입니다. 이러한 현상을 '동주기 자전(Synchronous rotation)' 또는 '조석 고정(Tidal locking)'이라고 합니다.
이 현상은 마치 해머던지기 선수가 해머를 돌릴 때와 유사합니다. 해머가 회전하면서도 항상 같은 면이 선수를 향하듯이, 달도 지구 주위를 공전하면서 항상 같은 면을 지구에 보여주고 있습니다.
 

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달은 지구 주위를 타원형태로 공전하고 있어, 위치에 따라 가장 가까운 근지점과 가장 먼 원지점이 있다.

 
 

♦️달의 위상 변화

여러분은 초승달, 반달, 보름달 등 주기적으로 변화하는 달의 모습을 본 적이 있을 것입니다. 달의 위상 변화 주기는 29.5일(삭망월)이며, 이는 달의 공전주기(27.3일)보다 깁니다. 달의 위상이 변하는 이유는 달이 자체적으로 빛을 내지 않고 태양빛을 반사하는 천체이기 때문입니다. 달의 위치가 변함에 따라, 태양빛을 반사 시키는 부분이 달라지고, 이 현상으로 지구에 도달하는 빛의 양과 모양이 달라 지면서 달의 위상이 변화합니다.

달의 모양은 29.5일 주기로 변화한다.

 
 

신월 또는 삭이라 불리는 시기에는 태양-달-지구 순서로 천체가 배열되어 있습니다. 이때 달에서 반사된 빛이 태양을 향하기 때문에 지구에서는 달을 볼 수 없습니다. 신월을 1일로 가정하면, 시간이 지날수록 달은 지구의 옆면으로 이동합니다. 이에 따라 태양빛을 받는 부분이 달의 뒷면에서 측면으로 바뀌게 됩니다. 측면으로 받는 빛의 면적이 커질수록 지구에서 관찰되는 달의 크기도 점점 커집니다.
공전주기의 절반인 약 15일이 지나면, 천체들은 태양-지구-달 순서로 배열됩니다. 이때 달은 태양빛을 정면으로 받아 그 빛이 지구로 반사되어 들어오므로 완전한 원형의 보름달로 보입니다. 이후 공전주기의 후반부에 접어들면 달은 다시 측면으로 빛을 받게 되어, 보름달이었던 모습이 점점 작아지다가 29.5일이 되면 처음 신월 위치로 돌아옵니다.
 

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태양 빛을 받는 면에 따라 모양이 달라지는 달의 모습 (출처 : NASA)

 

♦️달의 위상 변화에 대한 궁금증

달의 위상 변화에 대하여 알아보던 중 몇 가지 궁금한 점이 생겼습니다.
 
첫째, 보름달이 뜨는 경우 천체의 위치가 태양-지구-달 순서로 배열된다고 했습니다. 세 개의 천체가 일직선상에 있는데 달에 태양빛은 어떻게 도달하는 것일까요?
 
둘째, 달이 태양빛을 받는 방향이 달라지지 않는데 위상 차이는 왜 생기는 것일까요?
 
셋째, 달의 공전주기는 27.3일인데 달의 위상이 변화하는 삭망주기는 29.5일로 공전주기보다 긴 이유는 무엇일까요?
이 질문들에 대한 답을 알아보겠습니다.
 
 
첫번째 의문에 대한 답은 달의 공전 궤도와 지구와의 거리 때문입니다.
 
달의 궤도는 지구 공전면과 약 5.1도 기울어져 있어, 적도를 기준으로 아래위로 움직이는 형태로 지구 주위를 공전하고 있습니다 다른 이유는 지구와 우주의 크기 차이로 인해 발생하는 편견 때문이었습니다. 달이 지구와 가장 가까이 있는 천체인 것은 맞지만, 지구와 달 사이의 평균 거리는 약 38만 4000 킬로미터로, 지구를 기준으로 하면 30개 들어가고, 태양계의 행성들을 기준으로 하면 태양계의 모든 행성이 들어갈 수 있을 정도로 멀리 떨어져 있습니다. 따라서 태양 지구 달순서로 배열돼도 3차원에서 보면 태양 지구 달이 정확히 일직선상에 있지 않아 보름달이 뜰 수 있습니다.

달은 지구와 5.1도 기울어져 자전하고, 그 거리는 태양계 행성 모두 들어갈 만큼 멀다.

 
 
두번째 의문은 달이 항상 같은 면으로 태양빛을 받는데도 지구에서 관찰되는 달의 모양이 달라지는 이유입니다.
이는 달의 위치에 따라 지구에서 관찰되는 빛의 양과 각도가 달라지기 때문입니다.
쉽게 이해하기 위해 사람의 얼굴을 보는 상황을 생각해봅시다. 우리가 앞쪽만 볼 수 있다고 가정할 때, 상대방의 얼굴은 그 사람이 서 있는 각도와 위치에 따라 다르게 보입니다.
마찬가지로 달은 공전 궤도를 따라 위치가 계속 변하며, 이로 인해 달의 표면에서 반사되어 지구로 들어오는 태양빛의 양이 달라져 위상 변화가 발생합니다.

달은 태양빛을 받아 빛을 내므로, 빛을 받는 위치에 따라 지구에서 관찰되는 모양이 달라진다.

 
달의 공전에 의한 위치 변화는 달이 관측되는 시간도 달라지게 만듭니다.
상 별로 달이 뜨는 시간을 대략적으로 살펴보겠습니다. 보고 계시는 그림은 달이 지구를 한바퀴 도는 동안 변화하는 지구와 달의 위치를 표시한 것입니다. 그리고 각각의 위상에 따라 달이 가장 높이 떠오르는 시간을 표시해 놓았습니다. 하현달의 경우 6시를 가리키는 축과 만나고 있으므로, 6시에 가장 높이 떠 있는 것을 의미하고, 달이 떠있는 시간은 대략 0시 ~ 12시 사이가 될 것입니다. 보름달은 0시에 가장 높게 뜨게 되고 관측 가능한 시간은 18시 ~ 6시까지 일 것입니다. 하지만 달이 뜨는 시간과 우리가 관측가능한 시간을 다릅니다. 그 이유는 태양이 떠 있으면 달을 관측할 수 없기 때문입니다.

 
마지막으로 달의 공전주기는 27.3일인데 달의 위상변화는 29.5일로 공전주기와 위상변화 주기가 다른 이유를 살펴보겠습니다. 달의 공전주기는 27.3일로 하루에 13.19도씩 움직이고 있습니다. 그럼 27.3일 후 360도를 이동하므로 달의 위상은 처음 상태로 돌아와야 하지만 그렇지 않습니다

달은 1일에 13.19도씩 지구 주위를 공전한다

 
그 이유는 지구도 태양을 중심으로 1년 주기로 공전하고 있기 때문입니다. 지구는 약 365.24일 동안 360도를 움직이므로 하루에 약 0.99도를 움직입니다. 이 값에 달의 공전주기인 27.3일을 곱하면 27.03도가 됩니다. 즉, 달이 원래의 위치로 돌아오려면 지구가 이동한 27.03도만큼 추가로 움직여야 합니다.
이 27.03도를 추가로 이동하는 데 약 2일이 소요되며, 이 2일 동안 지구가 또 추가로 이동한 거리까지 고려하면 총 29.5일이 됩니다. 결국, 달은 29.5일이 지나야 위상 변화의 시작점으로 돌아오므로 달의 공전주기(27.3일)와 위상변화 주기(29.5일)가 다른 것입니다.

 

♦️일식과 월식

태양, 지구, 달이 특정한 정렬을 이루면서 발생하는 현상인 일식과 월식에 대해 알아보겠습니다.
일반적으로 달과 지구의 궤도는 다음과 같습니다 하지만 주기적으로 태양-달-지구 또는 달 지구 태양이 일직선이 되는 경우가 있는데 이때 일식 또는 월식이 관찰됩니다.

일식

월식

 
일식은 달이 태양을 가려 태양이 사라지는 천문 현상을 의미합니다. 태양과 달 지구가 완전히 직선 상에 있어 태양이 모두 가려지는 경우 개기일식과 금환일식이 관찰되고, 부분적으로 가려지는 지역에서는 부분일식이 관찰됩니다.

관찰하는 지역에서 태양-달-지구가 어떻게 배열되어 있는지에 따라 다른 형태로 일식이 관찰된다.

 
세개의 천체가 일직선에 위치해 있을 때 일식이 두가지 형태로 나타나는 이유는, 달의 공전궤도가 타원형이기 때문입니다. 달과 지구가 가까운 근일점에서는 개기일식이, 거리가 먼 원일점에서는 금환일식이 관찰됩니다. 세개의 천체가 완전한 직선이 아니라 약간 틀어져 태양빛이 부분적으로 가려진 경우 부분일식이 관찰됩니다.
그림과 같이 세개의 천체가 일직선상에 오면, 지구와 달의 거리에 따라 그림의 1과 같은 개기일식 또는 2와 같은 금환일식이 관찰됩니다. 그리고 개기일식과 금환일식이 관찰되는 주변지역인 3부분에서는 일식 전과정에 걸쳐 부분일식만 관찰됩니다.

 
월식은 태양 지구 달이 일직선성에 위치해 지구의 그림자에 달이 가려지는 현상입니다. 월식은 달을 볼수 있는 모든 위치에서 관측 가능하고, 달이 지구의 그림자에 일부분이 들어간 경우 부분 월식, 본 그림자안으로 모두 들어가면 개기월식이 관찰됩니다.

 
 
개기월식은 개기일식과 다르게 달이 사라지는 것이 아니라 붉게 보이는 현상이 발생하는데, 이는 지구의 대기가 볼록렌즈와 같은 작용을 하기 때문입니다. 대기 부분을 통과하는 빛은 굴절되어 달의 표면에 도달하게 되고, 이 빛이 반사되어 지구로 돌아오기 때문입니다. 이 과정에서 파장이 짧은 빛들은 대기를 통과하는 과정에서 산란되어 사라지고, 긴 파장의 빛, 즉 붉은색 계열의 파장을 가진 빛만 남아 대기를 통과하기 때문에 달은 붉은색으로 관찰됩니다.
 

월식 시 관찰되는 붉은 빛은 지구 대기에 의해 굴절된 빛이 달에 도달한 후 다시 반사되어 지구에 도달하기 때문이다.

 
이번 글에서는 달의 위상 변화와 일식, 월식이 발생하는 원리에 대해 알아봤습니다. 하늘을 올려다보면 보이는 달이 한 달 동안 어떻게 변화하는지 직접 관찰해보는 것도 흥미로운 경험이 될 것입니다.
 
끝까지 읽어 주셔서 고맙습니다.