지구 세차운동

<세차운동과 지구대격변>

사전적 의미의 세차운동(歲差運動, precessional motion) 이란 연직축에 대하여 약간 기울어진 팽이의 축이 비틀거리며 회전하는 운동을 말한다. 회전체의 온각운동량 벡터에 대해 아주 약한 외력의 모멘트가 수직으로 작용하여 생긴다.

 

천문학적으로는 지구의 자전축이 황도면의 축에 대하여 2만 5800년을 주기로 회전하는 운동과, 인공위성의 공전궤도면의 축이 지구의 자전축에 대하여 회전하는 운동 등이 있다. 이 때문에 천구상의 적도면과 인공위성의 공전궤도면의 교점은 적도를 따라 서쪽으로 이동한다. 이동하는 양은 지구적도 부분의 부푼 정도에 따라 결정된다.

 

세차운동(歲差運動, precessional motion)은 다른 말로 ‘옆돌기 운동’이라고도 하는데, 회전하고 있는 물체에 돌림힘이 작용할 때, 회전하는 물체가 이리저리 움찔거리며 흔들리는 현상을 말한다. 세차운동을 관찰할 수 있는 가장 일반적인 예는 팽이를 돌릴 때, 회전 속도가 줄면서 팽이의 축을 중심으로 한 팽이의 회전이 아닌 축 자체가 팽그르르 도는 것이다.

 

지구도 지축을 중심으로 돌고 있기 때문에, 세차 운동이 생긴다. 즉 지구의 자전축이 황도면의 축에 대하여 2만 5800년을 주기로 회전하는 운동을 하는 것이다. 지구는 극반지름에 비해 적도반지름이 조금 더 큰 회전타원체 모양을 하고 있다. 부풀어 오른 부분을 벌지(buldge)라고 한다. 거리가 멀어질수록 작아지는 중력의 특성 때문에 태양의 중력은 태양을 향한 쪽 벌지에서 더 크게 작용하게 된다. 지구의 자전축이 지구의 공전궤도면에서 기울어져 있기 때문에 하지나 동지 무렵에는 벌지에 작용하는 태양의 중력 차이가 지구를 공전궤도면에 수직으로 세우려는 힘(돌림힘)으로 작용하게 된다. 지구의 경우에는 태양과 지구의 벌지 때문에 생기는 돌림힘은 춘분점 방향과 평행하므로 지구의 회전축은 춘분점 방향으로 기울게 된다. 그만큼 춘분점은 다시 이동하게 되어 같은 작용이 반복되므로 지구 자전축은 회전하게 되는 것이다. 한 세기 동안의 관찰 결과에 의하면 춘분점은 일년에 50.3초만큼 이동하여 이 값으로 360도를 나누면 주기는 약 25,800년이 얻어진다. 그리스의 히파르코스는 기원전 120년에 이전 천문학자들의 관측과 자신의 관측을 종합하여 세차운동을 발견하였다.

우주는 무한히 넓으며 정지되어 있지 아니하고 끊임없이 활동하면서 많은 별들이 자신의 궤도를 유지하고 있다. 그렇다면 지구는 이 무한한 우주세계에서 어떻게 운동하고 있을까?

 

태양이 하늘에서 1년동안 지나가는 경로를 황도(The Ecliptic)라고 한다. 이것은 지구의 공전운동으로 인해 태양의 위치가 상대적으로 천구에서 이동하여 생기는 궤도이다. 따라서 실제로는 지구가 하늘 공간에서 움직이는 길을 황도라고도 할 수 있다.

 

천구상의 태양은 항상 황도선을 따라 이동하나 다른 천체들도 황도를 중심으로 황도대(Zodiac)라고 불리우는 일정한 범위내에 있으면서 움직이는 것을 알 수 있다. 예를 들어 태양에서 지구를 볼 때나 지구에서 태양을 볼 때 거의 황도대에 별자리들이 놓여 있기 마련이다. 이 황도대에 거처를 삼고 있는 별들이 바로 12별자리가 놓여 있는 것이다. 소위 성도상에 복잡한 경계를 가지고 있는 황도 12궁(별자리)을 정의하게 된다.

 

 

이와 같이 지구나 태양이 황도대를 따라 움직이는 것같이 보이면서 이 12별자리를 집을 삼으면서 질서정연하게 운동하고 있는 것이다.

 

그러나 지구의 운동은 이러한 것에만 한정된 것이 아니라 은하계 운동법칙 속에서 스스로 활동하는 하나의 법칙을 가지고 있다. 그것이 바로 아이작 뉴턴이 재확인한 세차운동이다.

 

아이작 뉴턴이 지구의 세차운동을 만류인력의 법칙으로 설명하면서 팽이가 흔들리는 것은 중력이 팽이를 쓰러뜨리려고 하기 때문에 일어나는 것이며, 지구에도 달이나 태양의 인력작용에 의해서 자전축을 인력과 수직 방향으로 끌어 당기고 있기 때문에 지축의 흔들 운동이 일어난다는 것이다. 이것이 바로 뉴턴이 재확인시켜준 지구의 세차운동이다.

세차운동은 지구가 자신의 축위에서 주기적으로 흔들리어 황도대의 별자리를 72년마다 1도씩 변경하고 있다. 그 결과 매년 3월 춘분 때 태양이 동쪽에서 떠오르는 기점(일출점)과의 관계에서 황도상 12별자리들이 외관상 차츰차츰 회전하는 것 같이 보인다.

 

 

매 72년에 1도씩 회전하므로 지구의 흔들운동은 360도로 회전하는데 (세차운동)소요시간은 25,920년이 소요된다. 세차운동의 소요 시간을 대년(Great Year) 또는 플라톤의 해(Platonian Year)라고도 호칭한다. (1도당 72년 × 360도 = 25,920년, 25,920년 ÷ 12별자리 = 2,160년(한 별자리의 소요시간)

 

그러므로 지구가 팽이같이 한번 흔들하여 제자리로 돌아오는 소요시간은 25,920년이며 이 흔들이의 경로가 바로 12별자리로서 한 별자리를 지나가는 시간이 2,160년이 소요되는 것이다. 이러한 별자리 운동에 대한 표현을 고대부터 "12별자리를 태양이 하늘에 머무는 장소"이라고 하여 지금까지 전해오고 있다.

 

인간은 일출과 일몰이라는 태양과 지구의 운동에 의한 지구 중심적 삶의 주기적 법칙을 가지고 있으면서 지구바깥 세계인 천구상에서 발생되고 있는 또 다른 시간대를 가지고 있는 것이다. 인류는 이러한 양면적 시간대에서 생존하고 있다.

 

고대사회에서는 우주적 시간대의 생활에 익숙해 있었으나 어느 날 그것을 잊어버리고 만 것이다. 지구도 은하계의 운동법칙속에서 존재하고 있기 때문에 인간 삶의 기준이 되는 『하루는 24시간』, 『계절의 시기』를 결정함에 있어 천체운동과 불가분의 관계에 놓여 있다는 천문학적 운용방법을 전수받아 사용하여 왔다.

뉴턴이 세차운동에 대해서 증명했다고 하지만 오래 전 고대부터 인류의 조상들이 사용해 오던 것을 다시 과학적으로 재확인시켜 준 것에 지나지 않는다.

 

인류의 고대 조상들은 하늘의 별자리를 관측하여 국가운영에 적용하였던 역사적 자료들은 세계의 모든 국가들의 고대기록에서는 쉽게 발견할 수 있을 것이다.

 

그들은 하늘의 12별자리의 천문학적인 지식 전수에 의해서 모든 생활을 운영하였던 것이다. 종교적인 측면에서 고찰해보면 기독교의 초기에는 12별자리중 물고기별자리(쌍어궁)의 물고기를 그들의 상징으로 사용하였다. 불교, 이슬람교 등에서도 황도대의 12별자리를 사용한 증거자료들을 발견할 수 있다.

 

이러한 세차운동의 지식체계는 그리스, 바빌로니아 시대보다 훨씬 그 이전시대(BC 8,000년전)부터 전수되어 사용했다. 예를 들면 아일랜드의 조상들인 켈트인들의 종교를 이끌어온 드루이드는 초고대유적인 『스톤헨지』를 세차운동과 관련있는 천문학적인 기구로 사용했다는 것이 밝혀졌다.

20세기에 들어와서 빙하기와 간빙기의 반복 원인을 지구밖에서 찾기 시작하였는데, 지구 공전과 자전의 형태에 관련되어 있다는 이론이 수학자와 천문학자들에 의하여 발표되었다.

구유고슬라비아의 수학자인 밀류신 밀랑코비치 (M. Minlancovici)는 1912년과 1941년 사이 그 자신의 생각을 수 차례 수정하고 혼신의 힘을 다한 계산 끝에

① 공전 궤도의 이심률 변화, ② 자전축의 경사 효과 , ③ 지축의 세차 운동이

여름의 햇살 강도를 크게 변화시키기 때문에 빙하기의 반복을 설명할 수 있다는 이론적 토대를 마련하였다. 밀랑코비치의 이러한 설명 이후, 광범위하게 밝혀진 지질학적 증거는 지축의 이동 및 지구공전궤도의 변화가 주기적으로 발생하고 있고, 그 영향으로 빙하기와 간빙기가 반복하고 있음을 설명하고 있다.

이심률의 효과

 

공전궤도의 이심률이 최대가 되면 빙하기(왼쪽)로 , 최소가 되면 간빙기(오른쪽)가 된다. 약 10만년을 주기로 지구의 공전 궤도가 정원에 가까운 모양에서 타원으로 변하게 되는데 이 주기 동안에 지구와 태양의 거리는 1천8백2십7만 km나 변화한다. 이심률이 최대가 되는 시기에 지구와 태양의 거리가 최대가 되며, 겨울은 한달 이상 길어지고 지구는 추워진다.

지구 자전축의 경사 효과

 

자전축의 경사가 최대가 되면 간빙기(위)가 되고, 최소로 되면 빙하기(하)가 된다. 지구 자전축이 공전 궤도면에 수직으로 되어 있지 않고, 경사진 채로 공전하므로 여름에는 북반구가 태양을 향하고 겨울에는 남반구가 태양을 향하게 된다. 이 때문에 지구상에 계절의 변화가 생기는 것이다. 대략 4만 천년을 주기로 하여 21.5도와 24.5도 사이를 그 각도가 변하는데, 현재는 약 23.5도이다. 이 기울기가 최소가 되면 여름은 덜 더워져 서늘해지고 겨울은 덜 춥게 된다. 한편, 북극지방에서는 햇빛은 다소 큰 각도로 입사되어 극지방은 계절에 따른 온도차가 적어지게 된다.

지축의 세차운동의 효과

 

북반구의 여름이 원일점이 되면 빙하기기 되고, 근일점이 되면 간빙기가 된다. 팽이축이 지면에 경사져 있을 때 팽이가 비틀거리며 도는 현상을 세차 운동이라고 한다. 지구축도 경사져 있기 때문에 지축의 세차 운동으로 계절마다 지구와 태양 사이의 거리는 서서히 변한다. 세차 운동의 주기는 2만6천년이므로 11,500년 전에는 현재와 달리 북반구의 여름이 원일점에 생기고 겨울은 근일점에 생겨 여름은 시원하고 겨울은 온화하여 빙하의 성장에 좋은 조건이 된다. 그러나 현재는 반대가 되어 북반구에 빙하가 축소되는 조건으로 되어 있다.

4만 1천년(이심률), 10만년(자전축 경사), 그리고 2만6천년(세차운동) 주기로 일어나는

이 세 가지의 효과가 합쳐지거나 극대화되면 빙하기가 시작된다.

빙하기의 과학적 발견은, 우주의 시간이 일정한 주기를 가지고 순환하고 있다는 대단히 중요한 단서다.