지구 자기장

지구 표면에서 지구 자기장은 주로 쌍극자의 성질(남극과 북극의 2개의 극을 가짐)을 보인다. 지표에서 멀어지면 쌍극자의 성질이 변화되어 나타난다. 1830년대에 독일의 수학자이자 천문학자인 가우스는 지구의 자기장에 대한 연구를 하여 주요 쌍극자 성분의 근원이 지구 외부가 아닌 지구 내부에 기인한다고 결론을 내렸다. 그가 쌍극자 성분이 지구 반지름의 제곱에 반비례하는 것을 보이자, 다른 과학자들은 지구 자기장을 발생시키는 지구 내부의 원인에 대해서 연구하게 되었다. 이러한 이론들로는 지구가 거대한 막대자석이라는 강자성이론, 여러 가지의 회전이론, 다양한 다이나모 이론 (발전기이론) 등이 있다. 강자성이론과 회전이론은 일반적으로 인정되고 있지 않는데 그 이유는, 강자성이론의 경우 지구 내부 20㎞ 정도의 온도가 퀴리 온도(강자성이 사라지는 온도)에 도달하기 때문이고, 회전이론의 경우 운동하는 물질과 자기장은 근본적으로 관련이 없기 때문이다. 대부분의 지구자기학자는 여러 가지의 다이나모 이론에 관심을 가지고 지구핵에 있는 어떤 에너지원에 의해 자기장이 지속된다고 생각하고 있다. 다이너모 이론에 따르면 지구 핵의 유체 운동에 의해서 전도성 물질이 자기장을 가로질러서 운동하게 되어 전류가 생성 된다. 지구자기 발전기가 발생하는 자기장이 없이는 다른 발생원이 존재할 수 없기 때문에 이 발전기는 중요한 발생원이다.

지구 자기장의 다른 발생원으로는 지각의 자화(지각을 구성하는 고체물질이 지구 자기에 의해 자화되는 것), 이온층 발전기(태양에 의한 이온층의 가열 때문에 자기력선을 가로질러 운동하는 하전 입자), 고리 전류(지표에서 높은 위치에서 하전 입자의 이동에 의해서 발생하는 전류), 자기권계면 전류(지구의 자기장과 태양풍의 경계면을 형성하는 하전입자의 흐름), 꼬리전류(tail current：자기권계면 전류와 유사한 전류), 자기장 방향의 전류(자력선의 회전에 의해서 생기는), 오로라 일렉트로제트(auroral electrojet：북극·남극의 오로라에서 흐르는 넓은 전류층) 등이 있다.

일식과 월식

일식
달에 의해 태양이 서서히 그 빛을 잃으며 잠시 사라졌다가 다시 나타나는 현상으로, 일식은 태양 - 달 - 지구의 순서로 위치하여 태양이 달에 가려질때 일어난다.
개기 일식
달의 본그림자 속에 들어가는 지역에서 관측할 수 있으며, 태양 광구 전체가 가려진다. 이 때 태양 대기의 코로나, 채충 등을 관찰할 수 있다.
부분 일식
달의 반그림자 속에 들어가는 지역에서 관측할 수 있으며, 태양의 일부가 가려진다.
월식
보름달이 지구의 그림자에 가려져 점차 어두워지다가 잠시 후에 달빛이 다시 나타나는 현상으로, 월식은 태양 - 지구 - 달의 순서로 위치할 때 나타날 수 있다.
개기 월식
달 전체가 지구의 본그림자 속에 들어가 가려진다.
부분 월식
달의 일부가 지구의 본그림자 속에 들어가 가려진다.
일식과 월식이 삭과 망 때마다 일어나지 않는 까닭
일식과 월식은 태양, 지구, 달이 공간적으로 일직선상에 위치할 때 일어나므로 매달 삭과 망일 때마다 일식과 월식을 볼 수 있어야 한다. 그러나 일식과 월식을 자주 볼 수 없는데, 그것은 달의 공전 궤도면이 지구의 공전 궤도면과 약 5도 정도 기울어져 있기 때문이다

달의 자전

달 표면 무늬 관측
달은 삭망월은 주기로 위상이 바뀌지만 지구에서 보이는 달 표면의 무늬는 달의 위상에 관계없이 항상 같다.
동주기 자전
달 표면의 무늬가 항상 같은 것은 달의 자전 주기와 공전 주기가 27.3일로 같기 때문이다. 이를 동주기 자전이라고 한다.

달의 공전

달이 지구 주위를 한 달에 한 바퀴씩 도는 운동을 달의 공전이라고 하며, 달이 공전하기 때문에 지구에서 볼 때 달의 위치와 모양이 한 달을 주기로 변화한다.

(1) 달의 위치 변화

날마다 일정한 시각에 달을 관측하면 하루에 약 13도 씩 서쪽에서 동쪽으로 옮겨진 위치에서 볼 수 있다

(2) 달의 공전과 위상 변화

달의 공전 방향과 속도 : 달은 서쪽에서 동쪽으로 백도를 따라 하루에 약 13도 씩 이동한다.

달의 위상 변화 : 달이 지구 주위를 공전하면서 태양빛을 받아 반사하므로 달의 위치에 따라 지구에서 보이는 모양이 달라지는데, 이러한 달의 모양을 달의 위상이라고 한다. 달의 위상은 삭 - 상현 - 망 - 하현 - 삭의 순서로 변화한다.

(3) 달의 공전주기

항성월 : 달이 천구 상의 어느 별자리를 출발하여 다시 그 자리로 되돌아오는 데 걸리는 시간으로, 약 27.3일이다. 항성월은 달의 공전 주기에 해당한다.

삭망월 : 달의 위상이 망에서 다음 망까지 또는 삭에서 다음 삭이 되는 데 걸리는 기간으로 약 29.5일이다. 우리가 음력 한 달이라고 하는 것은 바로 삭망월을 말한다

항성원과 삭망월이 일치하지 않는 이유 : 항성월과 삭망월은 약 2.2일 차이나는데, 이것은 달이 지구 주위를 공전하는 동안 지구도 태양 주위를 공전하기 때문이다

케플러의 법칙

케플러의 우주관

케플러는 브라헤가 남겼던 화성의 관측 자료를 조사한 결과, 화성의 궤도가 태양 둘레의 원궤도가 아니라 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 돌고 있다는 사실을 알게 되며, 행성의 운동에 관한 법칙을 발표한다.

제 1법칙

행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 그리면서 공전한다는 것으로 타원 궤도의 법칙 또는 궤도의 법칙이라고 한다.  행성의 궤도에서 태양으로부터의 거리가 가장 가까운 점을 근일점, 가장 먼 점을 원일점이라고 하는데, 이들 사이에서 행성의 운동은 다르게 나타난다.

근일점에서 원일점으로의 이동 : 행성이 근일점에서 원일점으로 이동하는 동안 만유인력의 방향은 행성의 운동을 방해하는 방향으로 작용하므로 행성의 속력이 점점 느려지게 된다.

원일점에서 근일점으로의 이동 : 행성이 원일점에서 근일점으로 이동할 때는 행성의 속력이 점점 빨라지게 된다. 실제로 태양계의 행성의 이심률은 아주 작아서 그 궤도는 원이라고 생각해도 틀리지 않는다.

태양계 행성의 시운동

내행성의 시운동
수성과 금성은 지구 궤도보다 안쪽 궤도를 도는 내행성으로 지구에서 볼 때 태양으로부터 어느 일정한 각도 이상으로 벗어나지 않는다.
최대 이각
내행성이 태양으로부터 가장 멀리 떨어진 각도를 최대 이각이라고 하는데, 수성의 최대 이각은 24도, 금성의 최대 이각은 48도라고 한다.
외행성의 시운동
지구 궤도보다 바깥쪽 궤도를 도는 화성~해왕성으로 태양의 위치와는 관계없이 서쪽 또는 동쪽으로 별자리 사이를 점차 옮겨 다닌다.

지구형 행성과 목성형 행성의 비교

지구형 행성과 목성형 행성의 물리적인 성질을 비교해 보면 두 집단의 성격이 다르다는 것을 알 수가 있다.
먼저, 질량과 반지름이 다르다. 목성형 행성은 질량과 반지름이 지구형 행성에 비하여 매우 크다.
그리고 평균 밀도.
지구형 행성은 질량과 반지름이 목성형 행성에 비하여 매우 작지만 철, 규소, 마그네슘 등 무거운 원소들로 이루어져 있기 때문에 평균 밀도가 3.4~5.6g/cm^3에 이를 정도로 크다.
반면 목성형 행성은 질량과 반지름이 매우 크지만 수소와 헬륨 등 가벼운 원소로 이루어져 있기 때문에 평균 밀도가 0.7~1.4g/cm^3로 작다.
대기도 다르다고 한다.
지구형 행성 중 수성은 대기가 없고 대기를 가지고 있는 화성, 금성, 지구는 목성형 행성에 비하여 대기층이 얇다. 대기 성분은 이산화탄소, 질소, 산소 등 무거운 기체로 이루어져 있다.
반면 목성형 행성은 대기층이 두껍고, 대기 성분은 수소, 헬륨, 메테인, 암모니아 등 가벼운 기체로 되어있다고 한다.
그리고 지구형 행성은 고리가 없지만 목성형 행성은 얼음과 암석 조각으로 이루어진 여러 겹의 고리가 존재한다.
또한 지구형 행성 중 위성을 가지는 행성은 지구와 화성 뿐이고, 그 수도 매우 적다.(지구 1개, 화성 2개) 하지만 목성형 행성들은 얘기가 다르다. 2014년 8월 26일 기준으로 알려진 목성의 위성은 63개, 토성의 위성은 이름이 알려진 60개와 이름 없는 작은 위성 수백개, 천왕성의 위성은 27개, 해왕성의 위성은 13개 등 목성형 행성은 지구형 행성과 다르게 많은 수의 위성을 가진다.
자전 주기도 다르다.
지구형 행성의 자전 주기는 수성 약 58.6일, 글성 약 243일, 지구와 화성은 약 24시간으로 목성형 행성의 자전 주기 9~17시간에 비하면 자전 주기가 길다.
편평도란 행성의 모양이 납작한 정도를 나타내는 값인데, 빠르게 자전할수록 편평도가 크다고 한다. 따라서 목성형 행성이 지구형 행성보다 편평도가 크다고 한다.