지구와 달의 운동

1. 지구의 자전과 공전

지구는 자전과 공전이라는 두 가지 형태의 운동을 동시에 한다. 지구의 자전은 지구가 자전축을 중심으로 약 24시간을 주기로 회전하는 운동이다. 지구의 자전 방향은 서쪽에서 동쪽으로 우주에서 지구의 북극을 내려다보면 지구는 시계 반대 방향으로 회전한다. 지구의 공전은 지구가 태양 주위를 일 년을 주기로 회전하는 운동이다. 지구의 공전 방향은 지구의 자전 방향과 똑같이 서쪽에서 동쪽이다. 

2. 천체의 일주 운동

천구란 우리 눈에 둥글게 보이는 하늘을 말한다. 지구는 서쪽에서 동쪽으로 자전하므로 천구에 있는 천체가 지구 자전과 반대 방향으로 회전하는 것처럼 보인다. 천체의 일주 운동이란 이와 같은 천구의 상대적 시운동을 말한다. 우리나라에서 남쪽 하늘을 보면 천체가 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 것처럼 보인다.

3. 태양의 연주 운동

지구는 일 년에 한 번씩 태양을 중심으로 공전한다. 지구의 관측자에게는 태양이 하루에 약 1°씩 서쪽에서 동쪽으로 이동해 일 년 후에 처음 위치로 되돌아오는 것처럼 보인다. 이러한 태양의 겉보기 운동을 태양의 연주 운동이라고 한다. 우리나라에서 한밤중에 남쪽 하늘에 보이는 별자리는 태양의 반대쪽에 있는 것이다. 지구가 공전함에 따라 천구상에서 태양의 위치가 조금씩 달라지면 태양 반대편에 있는 별자리도 바뀌게 된다. 별자리는 태양을 기준으로 지구의 공전 방향과 반대 방향으로 하루에 약 1°씩 동쪽에서 서쪽으로 이동해 계절별 별자리 변화가 생긴다.

4. 달의 위상 변화

달의 위상이 변하는 까닭은 달이 지구 주위를 공전하면서 달의 위치가 매일 바뀌게 되며 달의 위치에 따라 태양 빛을 반사하는 부분이 지구에서 다르게 관찰되기 때문이다. 달은 합삭의 위치에서 초승달, 상현달, 보름달(망), 하현달, 그믐달 순으로 모양이 변한다. 여러 날 동안 같은 시각에 달을 관찰하면 달의 모양과 위치는 달이 서쪽에서 점차 동쪽으로 이동하는 것처럼 보이며 그와 동시에 점차 채워지는 달의 모습을 관찰할 수 있다.

5. 천체 관측 애플리케이션을 활용해 태양과 달의 위치 관찰하기

① 천체 관측 애플리케이션을 설치하고 실행한다.
② 화면 가운데에 남쪽이 위치하도록 하고 동쪽과 서쪽이 화면의 왼쪽과 오른쪽 가장자리에 각각 위치하도록 조정한다.
③ 관측하려는 날짜와 시각을 설정한다.
④ 시각을 조정하면서 시간의 흐름에 따른 태양의 위치 변화와 달의 위치 변화를 관찰한다.
⑤ 날짜를 다른 날로 변경하고 태양과 달의 위치 변화를 비교한다.

6. 태양과 달의 위치 변화를 관찰하기에 적합한 장소

태양과 달을 관찰하기에 적절한 장소는 주변에 높은 건물이나 나무가 없는 장소로 남쪽 하늘이 잘 보이는 곳이 좋다.

7. 나침반을 이용한 방위 결정 방법

① 관찰 장소에서 손바닥을 지면과 수평하게 편 다음 나침반을 손바닥에 올린다. 또는 지면과 수평한 의자 등이 있다면 그 위에 올려놓아도 된다.
② 나침반의 바늘이 멈추면 파란색(또는 흰색) 바늘에 나침반의 남쪽을 맞춘다.
③ 남쪽을 향해 선 채로 동서남북의 방위를 확인한다. 앞쪽이 남쪽, 왼쪽이 동쪽, 오른쪽이 서쪽, 뒤쪽이 북쪽이 된다.

8. 태양과 달의 위치 변화를 관찰할 때 보름달을 관찰하는 까닭

초저녁 지평선의 동쪽 하늘에서 보이기 시작한 보름달은 남쪽 하늘을 지나 서쪽 하늘로 위치가 달라진다. 예를 들어 초승달도 시간이 지남에 따라 동쪽 하늘에서 남쪽 하늘을 지나 서쪽 하늘로 위치가 달라지는데 낮에는 태양 때문에 초승달을 눈으로 관찰하기는 어렵다. 태양이 서쪽 하늘로 위치가 달라지면서 하늘이 어두워질 때 서쪽까지 이동한 초승달을 잠시 관찰할 수 있는 것이다. 결국 초승달을 관찰할 수 있는 시간이 충분치 않게 된다. 하지만 보름달의 경우에는 태양이 질 무렵 동쪽 하늘에서 떠올라 하룻밤 동안 남쪽 하늘을 지나 새벽에 서쪽 하늘로 질 때 태양이 동쪽 하늘에서 떠오르게 된다. 따라서 보름달을 관찰할 때는 달이 하룻밤 동안 움직이는 모습을 충분히 관찰할 수 있다.

9. 달이 뜨는 시각의 변화

달은 지구의 자전 방향（서쪽—동쪽）과 같은 방향으로 약 27.3 일을 주기로 지구를 공전한다. 따라서 달은 하루에 약 13°(360°+27.3일=약 13°)만큼 이동한다. 지구의 자전을 기준으로 1°의 각거리는 약 4분에 해당하므로 매일 달이 뜨는 시각은 약 52분（4분 x 13°=52분） 늦어진다. 예를 들어 4월 5일 오후 8시에 달이 떠올랐다면 다음 날에는 오후 8시 50분쯤 달이 뜬다.

10. 지구의 공전에 따른 계절별 별자리 변화

지구는 일 년(약 365일)에 걸쳐서 태양을 한 바퀴(360°) 공전하므로 하루에 약 1°씩 움직인다. 따라서 오늘 자정에 남중했던 별은 다음 날 자정에 남중하지 않고 서쪽으로 약 1°씩 치우쳐 있게 된다. 이것은 우리가 일상생활에서 사용하는 시간이 별이 아니라 태양을 기준으로 해서 나타나는 현상이다. 지구의 자전을 기준으로 할 때 1°의 각거리는 약 4분에 해당하므로 연주 운동 때문에 별은 매일 약 4분씩 일찍 뜬다. 그러므로 지구의 자전 주기가 24시간이 아니라 이보다 약 4분 짧은 약 23시간 56분이라는 사실을 알 수 있다. 왜냐하면 지구의 자전 주기는 태양보다 멀리 있는 별을 기준으로 정의되어야 하기 때문이다. 그래서 24시간은 태양일, 약 23시간 56분은 항성일이라고 부른다.
각거리 1°는 매우 작으므로 연주 운동의 효과가 며칠 사이에 맨눈으로 관측되지 않는다. 하지만 몇 달 뒤에는 연주 운동의 결과가 누적되어 밤하늘의 별자리가 모두 바뀌게 된다. 예를 들어 봄철 자정 남쪽 하늘에서 잘 보이던 별도 석 달 뒤 여름에는 약 4분 X 90일 = 360분=6시간이나 빨리 떠서 자정 무렵에는 서쪽 하늘에 낮게 떠 있거나 곧 지게 된다. 따라서 새로운 별자리가 여름철 자정 남쪽 하늘을 차지하게 된다.

11. 지구 자전의 증거 예

• 푸코 진자의 진동면 회전: 지표면 위에서 진자를 진동시키면 지구의 자전으로 진자의 진동면이 회전하는 것처럼 보인다.
• 인공위성 궤도의 서편 이동 현상: 극궤도 위성을 지상에서 보면 시간이 지남에 따라 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 것처럼 관측된다.

12. 지구 공전의 증거 예

지구의 공전으로 지구에서 가까이 있는 별은 멀리 있는 별에 대해 상대적인 위치가 변한다. 지구에서 가까이 있는 별을 관측하고 6개월 후 다시 관측하면 위치가 다르다는 것을 알 수 있다.