[과학 상식] 지구가 자전하는 이유 알아보기

 

 

 

 

안녕하세요. 언제나 맑음! 인사드립니다.

 

오늘은 과학을 주제로 돌아왔습니다.

 

이토록 추워지는 겨울이 왜 올까요?

 

계절의 바뀜은 지구의 자전과 공전, 그리고 자전축의 기울기에 의해 발생합니다.

 

자전축의 기울기와 태양에서 받는 에너지의 차이로 인해 봄, 여름, 가을, 겨울과 같은 계절이 변화합니다.

 

그럼 여기서 '지구의 자전의 이유'를 자세히 한번 알아보겠습니다.

 

 

 

지구가 자전하는 이유

 

 

지구가 자전하는 이유를 이해하려면, 태양계의 형성과 물리학의 기본 법칙, 특히 각운동량 보존의 법칙과 관련된 내용을 깊이 이해해야 합니다. 아래에서 이를 단계별로 자세히 설명하겠습니다.

 

 

1. 태양계 형성과 초기 회전 운동

지구를 포함한 태양계는 약 46억 년 전, 가스와 먼지로 이루어진 거대한 성운에서 형성되었습니다. 이 성운은 처음에는 천천히 회전하고 있었지만, 다음과 같은 과정에서 회전 속도가 증가하고, 그 운동이 행성들에게 전달되었습니다.

 

(1) 성운의 붕괴와 회전 증가

성운은 스스로의 중력에 의해 수축하기 시작했습니다.
성운이 수축하면서 회전 운동이 빨라졌습니다. 이는 각운동량 보존 법칙 때문입니다.
→ 각운동량 보존 법칙이란, 외부에서 토크(회전을 멈추거나 가속하는 힘)가 가해지지 않을 경우, 물체의 회전 운동량은 일정하게 유지된다는 물리 법칙입니다.
예를 들어, 피겨 스케이터가 팔을 몸에 가까이 모으면 회전 속도가 빨라지는 것과 같은 원리입니다. 성운이 작아지면서 회전 속도가 증가한 것입니다.

(2) 원반 구조의 형성과 행성 탄생

성운은 수축하면서 납작한 원반 모양으로 변했습니다.
이 원반을 원시 행성계 원반이라고 부르며, 태양을 중심으로 회전하는 구조입니다.
원반 내부의 물질들이 뭉치면서 작은 미립자가 생겼고, 이들이 충돌하고 합쳐지며 미행성체가 형성되었습니다.
→ 이 미행성체들이 더 큰 물체로 성장하면서 오늘날의 행성들이 탄생했습니다.
→ 이 과정에서 원반의 회전 운동이 각 행성으로 전달되었습니다. 따라서 지구도 회전 운동을 가지게 되었습니다.

 

 

2. 지구의 자전 유지: 각운동량 보존

지구가 자전을 유지하는 이유는 외부의 방해가 없는 한 자전 운동이 멈추지 않기 때문입니다. 이는 물리학의 기본 원리인 각운동량 보존에 의한 것입니다.

(1) 각운동량 보존 법칙

각운동량은 회전하는 물체의 운동량을 의미하며, 외부에서 힘(토크)이 작용하지 않는 한 그대로 유지됩니다.
지구는 우주 공간에서 큰 외부 저항을 받지 않기 때문에, 초기 태양계 형성 시 전달받은 회전 운동을 계속 유지하고 있는 것입니다.

(2) 마찰이 없는 환경

지구의 자전이 멈추려면 회전을 방해하는 외부 힘이 필요합니다.
하지만 우주 공간은 마찰이 거의 없는 환경이기 때문에 지구는 계속해서 자전할 수 있습니다.

 

 

3. 왜 하루에 한번 자전할까?

현재 지구는 약 23시간 56분(항성일 기준)마다 한 바퀴 자전합니다. 이 자전 주기는 태양계 형성 당시의 초기 조건과 지구 자체의 물리적 특성에서 기인합니다. 다음은 현재 지구의 자전 속도에 영향을 미치는 요인들입니다.

(1) 질량 분포와 관성 모멘트

지구는 완벽한 구형이 아니라 약간 납작한 타원체(적도가 부풀어 있음) 형태를 가지고 있습니다.
지구 내부의 질량 분포와 회전에 따른 관성 모멘트가 자전 속도를 결정짓는 데 중요한 역할을 합니다.

(2) 달과 태양의 중력 상호작용

지구는 달과 태양의 중력 영향을 받으며, 이로 인해 조석력이 발생합니다.
조석력은 바다의 밀물과 썰물을 일으킬 뿐만 아니라, 지구의 자전을 점차 느리게 만드는 역할도 합니다.
→ 약 1억 년 전에는 하루가 약 22시간이었고, 현재는 약 24시간입니다.
→ 이는 지구 자전 속도가 달의 조석력에 의해 천천히 느려지고 있다는 것을 의미합니다.

 

 

4. 자전 방향: 왜 서쪽에서 동쪽으로 돌까?

지구의 자전 방향은 서쪽에서 동쪽으로입니다. 

 

이는 태양계 형성 당시 원시 행성계 원반의 회전 방향과 관련이 있습니다.

태양계를 형성한 성운 자체가 한쪽 방향으로 회전하고 있었기 때문에, 원반의 회전 방향과 동일한 방향으로 행성들이 자전하게 되었습니다.

 

결과적으로 대부분의 태양계 행성들은 서쪽에서 동쪽으로 자전합니다(금성과 천왕성은 예외적으로 다른 방향으로 자전함).

 

 

5. 자전 속도의 변화

지구의 자전 속도는 시간이 지나면서 변화해 왔습니다. 이는 주로 달과의 중력 상호작용(조석력) 때문입니다.

조석 감속 효과
→ 달의 중력이 지구의 바닷물을 끌어당기면서 밀물과 썰물이 발생합니다.
→ 이 과정에서 에너지가 소모되며, 지구의 자전 속도가 아주 미세하게 느려집니다.
→ 하루의 길이는 매년 약 1.7밀리초씩 길어지고 있습니다.

지구의 자전과 달의 거리 변화
달은 매년 약 3.8cm씩 지구에서 멀어지고 있습니다. 이는 지구의 자전 에너지가 달의 공전 에너지로 일부 전달되기 때문입니다.

 

 

 

 

 

요약

지구의 자전은 태양계 형성 당시 원시 성운의 회전 운동에서 비롯되었습니다.

각운동량 보존에 의해 초기의 회전 운동이 현재까지 유지되고 있습니다.

자전 속도는 달과의 중력 상호작용(조석력)으로 인해 매우 천천히 느려지고 있지만, 여전히 안정적으로 자전하고 있습니다.

자전 방향(서쪽에서 동쪽)은 태양계 형성 시 성운의 회전 방향에 기인합니다.

따라서, 지구가 자전하는 이유는 초기 태양계 형성과정에서 물려받은 운동 에너지와 물리 법칙에 따라 그 운동이 유지되고 있기 때문입니다.



이상으로 지구가 자전하는 이유에 대해서 알아보았습니다.

과학 상식 한조각이었습니다. 

 

언제나 맑음!이었습니다. 감사합니다!