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1. 개요
自轉 / Rotation자전이란, 천체가 한 축을 중심으로 스스로 한 바퀴 회전하는 것을 말한다. 태양계에 있는 모든 천체들은 자전과 공전을 한다. 태양계뿐만 아니라 다른 항성들이나 떠돌이 행성, 블랙홀 또한 마찬가지다. 심지어 오르트 구름의 창안자 얀 오르트에 의해 은하도 자전과 공전을 하는 것으로 밝혀졌다.
지구를 포함한 행성에서는 일반적으로 한 바퀴를 자전하는 속도가 행성일의 기준이 된다.[1]
자전하는 이유에 대한 유력한 가설은 항성과 행성이 형성되었을 때의 흔적이라는 것이다. 이들 천체는 가스 구름이 서로 뭉치면서 형성된 결과물인데 이 가스 구름은 소용돌이 치는 형태로 빙글빙글 돌면서 뭉친다. 마침내 모든 물질들이 뭉치면 하나의 천체가 되는 데 이 천체가 형성되는 과정에서의 빙글빙글 도는 운동을 관성의 법칙에 의해 가지기 때문에 계속 끝없이 돌게 되는 것이다. 초기 가스 구름의 회전이 매우 느리다 하더라도 가스가 뭉쳐 천체가 되는 과정에서 각 운동량 보존 법칙에 의해 회전 속도는 매우 빨라진다. 이를 자전이라고 부른다.[2][3]
2. 지구의 자전
지구의 자전이란 지구가 (북반구에서 남반구를 내려다 보았을때) 자전축을 중심으로 하루에 한번씩 서쪽에서 동쪽으로(시계반대방향으로) 도는 운동을 말한다. 지구가 자전하는 속도는 어마어마하게 빠르다. 적도 부근에서는 약 시속 1,674km/h이다.[4] 환산하면 약 초속 465m/s, 즉 1초에 465m를 간다. 이는 한 1시간에 15.04°씩 회전하는 것과 같다흔히 생각하는 것과 다르게, 지구 자전 주기는 하루 24시간 에 약 4분 정도 못 미치는 23시간 56분 4.091초(약 23.9345시간)이다. 왜냐면 자전 한 바퀴와 하루를 혼용해서 쓰긴 하지만 엄밀히 말하자면 둘의 기준이 다르기 때문이다.[5] 자전은 우주공간의 3차원 좌표에서 지구라는 구체가 1회전 하는데 걸리는 시간이지만, 하루는 지표면의 한 지점에서 보기에 태양이 어제와 같은 위치에 오는데 걸리는 시간인데(엄밀히 말하면 균시차 등도 고려해야 하나 생략), 지구는 자전과 동시에 공전도 하기에 자전 1회전 후에 공전이 진행된 만큼 약간 더 자전해야만 지표면을 기준으로 태양이 다시 같은 자리에 온다.[6]
또한 지구의 자전주기는 100,000년마다 대략 1초 늘어나며, 결과적으로 지구의 시간도 1초씩 짧아진다. 하지만 점점 느려지며 하루는 100년에 0.002초씩 길어진다는 연구결과가 있다. 하지만 2011년 도호쿠 대지진으로 인해 자전 속력이 아주 조금 빨라졌다.
약 70억년 뒤 쯤이면 지구의 자전이 멈춘다는 계산이 있지만, 이건 지구가 존속한다는 전제하에 해본 의미없는 계산이니 그냥 일단 참고만하자. 지구 자전이 멈출 수 있는 시간보다 한참 전에 지구는 증발해서 없어지며, 그 증발되기 수억~수십억년 전에 이미 그 어떤 생물도 살 수 없는 행성이 되어서 다 죽든지, 다 떠나든지 둘 중 하나가 되어있을 것이다.[7] 다시 말해 지구는 없어지기 전까지 계속 자전한다. 현재 태양의 크기는 지구와 태양 표면 사이의 평균 거리의 약 1% 정도 되지만, 태양 크기는 커지고[8] 거리는 줄어들기에 나중에는 2% 이상이 된다.
2.1. 지구 자전의 증거
푸코 진자의 진동면이 중위도 지역에서 시간에 따라 변화한다.2.2. 자전에 의해서 일어나는 현상
- 밤과 낮
- 전향력
2.3. 지구 자전이 멈추면?
종종 픽션에서 초월적인 존재가 자전을 멈추니 마니 하는데, 자전이 멈추는 순간 인류 문명은 말 그대로 초토화된다.만일 순간적으로 자전이 멈춘다면? 지표면 위의 모든 것은 관성으로 인해 (적도 기준) 시속 1,680km의 속도로 내팽겨쳐지며 산산조각 날 것이다. 자동차 충돌 사고가 일어나면 튕겨나가는 것과 비슷한 원리다. 버스가 시속 100km 속도로 달리다가 갑자기 급정거를 해버리면 서있는 사람들은 물론 앉아있는 사람도 앞으로 튕겨져나가는 것과 똑같은 원리. 물리엔진 시뮬레이션 영상. 몇 분에 걸쳐 조금 천천히 멈춘다고 가정해도 대기가 멈추는 속도는 땅이 멈추는 속도보다 훨씬 느리기 때문에 시속 1000km가 넘는 강풍이 지표면의 모든 것들을 쓸어버릴 것이다.
그렇다면 관성 문제가 발생하지 않는 한에서 자전이 멈춘다면? NGC에서 2012년 방영한 인류멸망이라는 프로에서 이것을 다뤘다. 멈추는 과정에서의 생기는 문제로 먼저 지구의 구성층이 멈추는 중에 충돌을 일으키면서 지진이 많아진다. 그리고 원심력이 사라지면서 적도 근처에 있던 대량의 바닷물이[9] 북극과 남극쪽으로 이동하면서 세계지도가 완전히 바뀐다. 북극에는 엄청난 깊이의 바다만이 생기고 적도에는 큰 대륙이 생기는데 대부분의 지역이 매우 높은 고도로 공기가 희박해진다.[10] 덕분에 인류가 생존할 수 있는 구역이 점점 줄어 그 중간 위도에만 한정되게 된다.
위의 것도 문제지만, 이후에는 더 심각한 문제가 발생한다. 바로 지구자기장도 같이 사라지기 때문이다. 지구의 자전이 멈추면, 지구 내부에서 발생하는 금속과의 마찰이 사라지게 되고, 마찰이 사라지면 전류가 나오지 않는다. 따라서 자전이 멈추면 자기장도 같이 사라지게 된다.
지구자기장이 사라지면 태양풍을 막아낼 수 없게 된다. 자전이 멈춰진 지구를 향해 고열의 각종 방사성 물질이 난입하고, 결국에는 지구의 바다와 대기를 전부 날려버릴 것이다. 대기가 날아가지 않는다면 금성처럼 두꺼운 이산화탄소를 가질 것이다. 자전속도가 돌아오더라도 이전 모습으로 돌아올 수 없을 것이다. 다만 자전을 멈춘 시간이 초 단위의 찰나의 순간일 경우에는 아무런 문제가 발생하지 않을 것이다.
자전이 완전히 멈춘 다음에는 문명의 붕괴를 넘어서 생존에 급급한 상황이 된다. 밤과 낮의 변화를 오로지 공전에 의존해야하기 때문에 밤과 낮이 6개월마다 바뀜으로써 겨울에는 엄청나게 춥고 여름에는 엄청 더운 혹독한 날씨가 된다. 또 다른 심각한 문제로 대기의 이동이 거의 멈추게 된다.(무역풍 같은 것들은 지구의 자전에 의해 생긴다.) 이 결과 내륙지방에는 비가 안와서 가뭄으로 인간의 생존이 불가능해진다. 그나마 생존이 가능한 해안은 엄청난 폭우가 옴으로써 더 혹독한 날씨가 된다. 많은 사람이 사망할 것으로 예상되고 생존자들도 좁은 해안가에서 혹한의 날씨를 견디면서 생존에만 급급한 상황이 된다.
이후 달의 기조력이 지구의 자전을 늦추는 것이 아니라 반대로 가속시키게 되고, 달은 더 이상 지구한테서 멀어지지 않으며, 달의 중력이 지구를 잡아당기게 되어 시간이 지나면 지구는 다시 자전하기 시작할 것이다. 하지만 이렇게 원상복귀(?)가 되기까지는 수없이 많은 세월을 기다려야 할 것이다.
아래는 전 NASA 직원이자 웹툰 작가인 랜들 먼로가 집필한 "위험한 과학책"의 "자전이 갑자기 멈춘다면?"이란 질문의 답변 부분이다. 참고로 이 책엔 별별 골때리는 질문에 랜들 먼로가 설명을 해 주는 구성을 하고 있는데 질문 중 몇 개를 꼽자면, "진짜 광속구를 던지면?" 라든가 "사용 후 핵연료 저장 수조에서 수영을 하면?" 따위가 있다.
| Q. 만약에 지구와 지구 상의 모든 물체가 갑자기 자전을 멈췄는데, 대기는 여전히 전과 같은 속도로 움직인다면 무슨 일이 벌어지나요? A. 거의 모든 사람이 죽겠죠. ‘그런 다음에’ 아주 재미난 일이 일어날 겁니다. 지축과 비교할 때 지구 표면은 적도 지역에서 1초에 약 470미터씩 움직이고 있습니다. 1시간이면 1,700킬로미터가 조금 못미치죠. 그런데 지구는 멈춰 버리고 공기는 멈추지 않는다면 갑자기 시속 1,700킬로미터짜리 강풍을 경험하게 됩니다. 바람이 가장 세게 부는 곳은 적도겠지만, 적도가 아니더라도 북위 45도와 남위 45도 사이(전 세계 인구 87퍼센트가 여기에 살고 있죠)에 사는 모든 사람과 물건은 갑작스러운 초음속 강풍을 경험하게 됩니다. 지표 부근에서는 매우 심한 바람이 몇 분 정도밖에 지속되지 않을 겁니다. 지면과의 마찰 때문에 속도가 줄어드니까요. 하지만 그 몇 분도 인간이 만든 모든 것을 폐허로 만들어 놓기에는 충분하겠죠. 제가 살고 있는 보스턴은 워낙 북쪽에 있는 도시여서 초음속 강풍 지대에서 약간 벗어나 있습니다. 하지만 보스턴에도 기존의 가장 센 토네이도보다 2배는 강한 바람이 불게 될 거예요. 그렇게 되면 오두막에서부터 고층 빌딩까지 건물이란 건물은 죄다 송두리째 뽑혀 저 멀리 굴러다니겠죠. 극지방이라면 바람이 덜하겠지만, 인간이 만든 도시 중에서 이 바람에 파괴되지 않을 만큼 적도에서 멀리 떨어진 도시는 없습니다. 노르웨이 스발바르 제도에 있는 롱위에아르뷔엔(Longyearbyen)은 전 세계에서 위도가 가장 높은 도시인데, 이곳 역시 기존의 가장 강력한 열대성 저기압과 맞먹는 정도의 바람을 맞고 파괴될 겁니다. 바람이 다 지나갈 때까지 기다릴 작정이라면, 가장 좋은 곳은 핀란드의 헬싱키입니다. 북위 60도가 넘는 헬싱키는 바람에 휩쓸려가지 않을 만큼 위도가 높은 것은 아니지만, 대신 지하에 정교한 터널망과 쇼핑몰, 하키장, 수영장까지 갖추고 있으니까요. 안전한 건물은 단 하나도 없을 겁니다. 강풍에 대비해 튼튼하게 설계한 건물이라 해도 타격을 입겠죠. 그렇다면 시속 1,700킬로미터짜리 강풍을 견딜 수 있는 거대 벙커 속에 여러 분이 들어가 있다면 어떨까요? 잘된 일이죠. 여러분은 무사할 겁니다. 벙커를 가진 사람이 여러분뿐이라면 말이죠. 하지만 안타깝게도 여러분에게는 이웃이 있을 겁니다. 만약 바람이 불어오는 쪽에 사는 이웃의 벙커가 여러분의 벙커만큼 땅속 깊숙이 튼튼하게 고정되어 있지 않다면, 여러분의 벙커는 시속 1,600킬로미터의 속도로 충격을 가해 오는 ‘이웃의 벙커’를 견뎌 내야 할 겁니다. 인류가 멸종되지는 않겠죠. 당장은 말이에요. 하지만 지상에 있는 사람 중 살아남는 사람은 거의 없을 겁니다. 공중에 날아다니는 쓰레기들이 무엇이든 닥치는 대로 산산조각 내 버릴 테니까요. 핵 공격에도 견딜 만큼 튼튼하게 만들어진 물건이 아니라면 말입니다. 하지만 지하에 있던 사람들은 무사한 경우가 많을 겁니다. 사태가 벌어졌을 때 지하 깊은 곳(더 좋은 건 지하철 터널이겠죠)에 있었다면 살아남을 가능성이 꽤 큽니다. 행운의 생존자들은 또 있을 수 있는데요. 남극에 있는 아문센-스콧 기지(Amundsen-Scott research station) 과학자들과 그곳 직원들 수십 명도 바람의 피해를 입지 않을 겁니다. 이들이 처음으로 이상한 낌새를 눈치채는 건, 아마 갑자기 바깥세상이 너무 고요해져서일 겁니다. 그래서 잠시 이상하다고 생각하고 있다 보면, 마침내 한층 더 이상한 점을 발견하게 되겠죠. 지표의 바람이 잦아들면서 상황은 더욱 묘하게 돌아갈 겁니다. 우선 강풍이 열 폭풍으로 바뀔 거예요. 평소에 부는 바람의 운동 에너지는 무시해도 될 정도로 작지만, 이건 보통 바람이 아니죠. 갑작스럽게 바람이 멈추는 순간, 공기는 데워지기 시작할 겁니다. 그렇게 되면 육지는 타는 듯이 온도가 올라갈 테고, 공기 중에 습도가 높은 지역에서는 지구를 삼킬 듯한 천둥 번개가 치겠지요. 동시에 바다 위를 쓸고 지나는 바람은 바닷물을 뒤집어엎으면서 표층을 산산 조각 낼 겁니다. 한동안 바다에는 수면이라는 것 자체가 없어지겠죠. 어디까지가 물보라이고 어디부터가 바다인지 알 수 없을 테니까요. 바다는 차갑습니다. 얇은 표층을 제외하면 어디를 가나 수온은 섭씨 4도로 일정하죠. 그런데 여기에 강한 폭풍이 분다면, 바다를 휘저어 저 깊은 곳의 차가운 물을 위로 끌어올리게 됩니다. 과열된 공기 속으로 차가운 물보라가 유입되면, 지구는 그동안 1번도 보지 못했던 이상한 날씨를 경험하게 될 겁니다. 바람과 물보라, 안개가 미친 듯이 뒤섞인 채 온도는 순식간에 치솟았다가 떨어지기를 반복할겁니다. 한편, 저 아래쪽 물이 수면으로 올라오는 용승이 일어나면 생명 활동이 활발해집니다. 신선한 영양분이 상층으로 흘러들기 때문이죠. 그러나 동시에 수많은 물고기와 게, 바다거북 등이 멸종하고 말 겁니다. 산소가 적은 심해수의 유입에 대처할 수 없기 때문이죠. 고래나 돌고래를 비롯해 호흡이 필요한 동물들도 바닷물과 공기가 만나서 만들어지는 소용돌이에서 살아남으려면, 아주 힘겨운 투쟁을 벌여야 할 겁니다. 파도는 동쪽에서 서쪽으로 지구 전체를 휩쓸 겁니다. 어디든 동쪽을 바라보는 해안이라면, 사상 최대 규모의 해일을 맞닥뜨리게 되겠죠. 구름 같은 물보라가 내륙을 자욱하게 덮치고 나면, 쓰나미 같은 바닷물이 소용돌이치면서 거대한 담벼락처럼 몰려올 겁니다. 파도가 내륙으로 몇 킬로미터까지 깊숙이 들어오는 곳도 있겠죠. 폭풍은 어마어마한 양의 먼지와 쓰레기를 대기 속으로 빨아들일 겁니다. 동시에 차가운 바다 표면 위에는 담요 같은 안개가 자욱이 형성되겠죠. 이렇게 되면 보통 지구의 온도가 급강하합니다. 그러니 이때도 마찬가지겠죠. 적어도 지구의 한쪽 면은 이렇다는 얘깁니다. 지구가 자전을 멈추면 정상적인 밤낮의 주기가 사라져 버립니다. 태양이 하늘에서 전혀 움직이지 않는 것은 아니지만, 태양은 이제 ‘하루’에 1번 떴다가 지는 것이 아니라 ‘1년’에 1번 떴다가 지게 됩니다. 적도에서조차 밤낮이 각각 6개월씩 지속되겠죠. 낮인 쪽에서는 쉴 새 없이 쏟아지는 햇빛에 표면이 익어 버릴 테고, 밤인 쪽에서는 온도가 급강하하겠죠. 대류 현상 때문에 낮인 쪽은 태양 바로 아래에서 대규모 폭풍이 불게 될 겁니다. 코리올리(Coriolis force)의 힘(각주 - 회전하는 물체 위에서 작용하는 것처럼 보이는 가상의 힘을 일컫는다. 예컨대 북반구에서는 지구의 자전 때문에 물체가 운동 방향의 오른쪽으로 힘을 받는 것처럼 보인다.)이 작용하지 않기 때문에 바람이 어느 쪽으로 불지는 알 수가 없습니다. 이런 상태의 지구는 적색왜성 주위의 생명체 거주가능 지역에서 흔히 발견되는, 자전과 공전 주기가 동일한 행성들과 비슷할 겁니다. 하지만 더욱 닮은 것은 아주 초기의 금성이죠. 금성은 자전 주기가 아주 길어서(우리의 멈춰 버린 지구처럼) 같은 쪽 면이 몇 달씩 태양을 향하고 있거든요. 그러나 두꺼운 대기층이 아주 빠르게 순환하기 때문에 낮인 면과 밤인 면의 온도는 거의 같습니다. 낮의 길이는 바뀌겠지만 ‘1달’의 길이는 바뀌지 않을 거예요. 지구 주위를 도는 달의 공전은 멈추지 않았으니까요. 하지만 지구가 자전을 멈춰서 더 이상 조석력을 공급하지 않는다면, 달은 ‘아마도’ 더 이상 지금처럼 지구에서 멀어져가지 않을 테고, 천천히 우리 쪽으로 되돌아오기 시작할 겁니다. 사실, 우리의 충실한 친구 달은 이 질문의 시나리오 때문에 생긴 피해를 복구하는 방향으로 작용할 겁니다. 지금은 지구가 달보다 빠르게 돌고, 조석력이 지구의 자전을 늦추면서 달을 우리에게서 먼 쪽으로 밀어내고 있습니다. 지구의 자전이 멈춘다면 달은 더 이상 멀어져 가지 않을 테고, 달의 조석력은 우리의 자전 속도를 늦추는 게 아니라 가속하게 될 겁니다. 소리 없이 조심조심 달의 중력이 지구를 잡아당기는 거죠. 그러면 지구는 다시 돌기 시작하겠죠. |
2.4. 지구의 자전축 기울기
지구의 자전축 기울기는 현재 약 23.439 281 1°로 알려져있다. 약 41,000년의 주기로 22.1°~24.5° 사이에서 변한다고 알려져있다.3. 달의 자전
달도 마찬가지로 지구 주위를 공전하면서 자전을 한다. 자전주기는 공전주기와 일치하며 약 30일 정도에 지구를 한 바퀴 돈다. 따라서 지구에서는 항상 같은 앞면만 보게 된다. 조석 고정 참조.4. 블랙홀의 자전
블랙홀 중 커 블랙홀[11], 커-뉴먼 블랙홀[12]이 자전하는 특성을 띤다.5. 중성자별의 자전
매우 빠르게, 그것도 넘사벽의 속도로 자전한다. 위 영상에서 나오는 소리는 자전시 나오는 전파인 펄사(Pulsar)를 녹음한 것이다.
6. 관련 문서
[1] 사실상 하루라 쓰이고 있지만, 하루는 24시간이고, 지구의 자전 속도는 이보다 4분 모자른 23시간 56분 정도로 엄밀히 다른 개념이다. 그래서 다른 행성의 하루를 표현할 때는 행성일로 표현하는 것이다.[2] 공전도 마찬가지로 태양계의 경우 성운과 가스들이 거대한 소용돌이(원반을 생각하면 쉽다) 모양으로 돌다가 중심 물질들이 태양을 구성한 뒤 남은 물질들은 관성과 태양의 중력으로 계속 태양을 중심으로 주위를 돌게 되고, 그중에 일부가 뭉치고 뭉치다가 각 행성을 형성.[3] 물론 이 내용이 직접적으로 증명되지는 않았기에 오늘날에도 천문학자들은 엄밀한 증거를 찾기 위해 노력하고 있다.[4] 지구의 둘레는 약 40,075km인데 이걸 지구 자전주기인 23시간 56분 4.091초로 나누면 약 시속 1,674.36km/h이다.[5] 둘의 천문학적 정의와 용어도 다르다. 자전 주기는 항성일이라고 부르고, 하루 24시간은 태양일이라고 부른다. 각각의 항목 참조.[6] 즉, 지구 자전은 태양과 관계없이 지구 자전축을 중심으로 회전하는 지구만이 기준이고, 하루 1일은 지구 표면 위의 인간이 관찰하는 태양이 기준이다. 개념 자체가 하루 24시간은 인류가 보기에 뜨고 지는 해를 기준으로 만든 시간 단위이다.[7] 그 이전에 대략 50~60억년뒤에 태양이 폭발하며, 그보다 훨씬 더 이전에 지구는 증발한다. 그런데 그보다 또 더 이전인 10억년쯤 뒤에 이미 인간을 포함한 상당수의 생물이 지구에서 살기 어려울 정도가 된다는 설이 최근에는 신빙성있게 받아들여진다. 이는 사실 지구 자체와 무관한 부분이 더 큰데, 핵융합을 미친 듯이 하고 있는 태양이 계속 커지고 있어서 태양 표면과 지구가 지나치게 가까워지기 때문이다.(참고로 지구 질량 중심과 태양 질량 중심은 오히려 갈수록 멀어지는데, 그 멀어지는 속도보다 태양의 크기가 커지는 속도가 비교도 안 되게 훨씬 빠르니까 태양 표면이 계속 지구로 다가오는 것이다. 먼저 수성 금성부터 날려버리고 지구도 날려버린다) 즉, 어느 시점부터 지금보다 훨씬 가까이서 날아오는 뜨거운 태양 복사에너지로 인한 온열질환으로 모든 생물이 세포 유지도 못하게 다 쪄 죽고 그런 뒤에야 지구가 없어지는 것. 이에 대해서는 어느 시점부터 생물의 진화 및 적응력과 뜨거운데서 생존을 꾀하는 인류 기술력이 합쳐진 문제가 되므로 태양이 지구를 삼키는 시간이나 태양이 폭발하는 시간처럼 한가지 거시적 계산으로 답을 내기 매우 어려워, 2억년이나 5억년설도 있을만큼 상당히 부정확하다. 인류가 지구에서 살 수 있는 시간은 겨우(?) 10억년조차도 남지 않았다. 지구 입장에서 70억년 같은건 신경쓸 필요도 없다.[8] 현재는 100년에 몇미터 내외로 태양과 지구거리가 가까워진다고 관측되나, 이게 천만년 후 단위로 가면 실제로는 가속되기에 수천km보다 더 가까워질거라고 추측된다.[9] 사실 지구는 적도부근이 약간 부푼 타원형이다. 지구가 자전하면서 원심력에 의해 바닷물이 적도쪽으로 몰리는 것.[10] 지구는 완벽한 구형이 아니라 적도의 지름이 남북 지름보다 20km 정도 더 크다. 자전하는 원심력 덕분에 물, 대기, 지표면이 지금의 구성을 유지하고 있는 것인데 갑자기 자전이 멈춰버리면 물과 공기는 극지방으로 이동해버리고 상대적으로 단단한 지각은 그대로 유지되면서 적도부분은 바다가 완전히 말라버린 초고산지대가 되어버린다.[11] 자전만 하는 것[12] 자전에 덧붙여서 전기까지 품고 있는 것