지구는 왜 태양을 돌고 있을까

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월 1회 자전·공전주기 같은 천체
지구와 달리 긴 시간 일식 관측
지구 표면에 달 여행자의 그림자
빠르게 이동 달에서 온전히 보여

자전축이 공전궤도와 거의 직각
지구에서 달의 한쪽만 관측 이유
달은 까딱까딱 칭동현상이 있어
뒷면의 일부를 더 볼 수 있게 돼

지구는 월출·월몰 개념 있지만
달에선 지구출·지구몰이 없어
달 표면 한 곳에서 지구 본다면
지구는 항상 같은 자리에 머물러

달은 지구를 한 달에 한 바퀴씩 돌고 있고, 지구는 태양을 일 년에 한 바퀴씩 돌고 있다. 세 천체는 거의 같은 평면에 위치해 있지만 달이 지구를 도는 궤도와 지구가 태양을 도는 궤도가 정확하게 일치하지는 않는다. 두 공전궤도면 사이에는 약간의 경사각이 있다. 세 천체의 상대적인 위치는 시시각각 변할 것이다. 그러다 보면 달과 지구와 태양이 이 순서대로 일직선상에 나란히 놓이게 되는 때가 생긴다. 이때 지구에서는 보름달을 볼 수 있다. 두 공전궤도면이 완전히 일치한다면 보름달 때마다 달은 한 번씩은 꼭 지구 그림자 속으로 들어가서 월식이 일어날 것이다. 하지만 두 공전궤도가 정확하게 일치하지 않기 때문에 보름달 때마다 월식이 일어나지는 않는다. 달이 완전히 가려져 보이지 않는 것을 개기월식이라고 한다. 달의 일부가 가려지면 부분월식이 일어난다.

지구와 태양 사이에 달이 일직선상에 위치하는 때를 그믐이라고 한다. 세 천체가 이 순서대로 정확하게 일직선상에 놓이게 되면 일식이 일어난다. 역시 두 공전궤도면이 정확하게 일치하지 않기 때문에 그믐 때마다 일식이 일어나지는 않는다. 태양의 겉보기 크기와 달의 겉보기 크기는 거의 비슷하다. 달이 지구와 조금 더 가까운 위치에 있을 때는 달의 겉보기 크기가 조금 더 커보인다. 반면 달이 지구로부터 조금 더 멀리 떨어져 있을 때는 그 겉보기 크기가 조금 더 작게 보인다. 태양의 겉보기 크기는 약간씩 달라지지만 눈으로 인지할 정도는 아니다.

달의 겉보기 크기가 충분히 크면 태양을 모두 다 가릴 수 있다. 이때 달이 태양을 완전히 가리는 개기일식이 일어난다. 달의 겉보기 크기가 태양의 겉보기 크기보다 작은 경우에는 달이 태양을 미처 다 가리지 못해서 금환일식이 일어난다. 가려지지 못한 태양이 달 그림자 주위를 반지처럼 감싸면서 보인다. 태양 일부만 가려지는 경우에는 부분일식이 일어난다. 지구의 어느 한 지점에서 볼 때 개기월식은 몇 시간 진행된다. 반면 개기일식은 수 분 정도 일어나는 짧은 이벤트다.

2019년 1월21일에 개기월식이 있었다. 아메리카 대륙에 있는 사람들은 1월20일 밤부터 21일 새벽까지 개기월식을 볼 수 있었다. 서유럽과 북아프리카 지역 사람들은 1월21일 아침 개기월식을 관측할 수 있었다. 이날 개기월식에 일반인들의 관심이 좀 더 집중되었다. 마침 이때가 지구와 달 사이의 거리가 가장 가까운 근지점 근처였기 때문에 지구에서 볼 때 달의 겉보기 크기가 크게 보이는 ‘슈퍼문’이었기 때문이다. 서양에서는 그 해의 첫 번째 보름달을 ‘늑대의 달’이라고 부르는데 이날이 딱 그날이었다. 슈퍼문이면서 늑대의 달인데 개기월식까지 일어난 것이다. 개기월식이 일어나면 보통 달이 붉게 물들기까지 하니 일반인들의 이목을 집중시키기에 충분한 이벤트였다. 다음 개기월식은 2021년 5월26일에 만날 수 있다.

2019년 7월2일 개기일식이 있었다. 칠레를 비롯한 남아메리카 일부 지역에서 볼 수 있었다. 2019년 12월26일에는 금환일식이 일어날 예정이다. 다음 개기일식은 2020년 12월14일에 있다. 역시 남아메리카 일부 지역에서 관측할 수 있다.

지구에서 개기월식이나 개기일식이 일어나고 있을 때 달에서는 어떤 일이 벌어질까? 달은 한 달에 한 번 지구 주위를 공전한다. 역시 한 달에 한 번 자전을 한다. 달은 공전주기와 자전주기가 같은 천체다. 달의 하루는 지구 시간으로 한 달 정도가 된다. 오랜 세월에 걸쳐 지구의 영향으로 자전 속도가 느려지면서 공전 속도와 같아지는 식으로 진화를 해왔다.

또한 달의 자전축은 공전궤도와 거의 직각을 이루고 있다. 지구에서 달을 볼 때 항상 달 한 쪽 면만 볼 수 있는 이유가 바로 이것이다. 달이 까딱까딱하는 칭동현상이 있기 때문에 실제로는 달 뒷면 일부를 더 볼 수는 있다. 만약 달 자전축이 공전궤도면과 직각이 아니라 지구처럼 어느 정도 기울어 있거나 극단적으로 공전궤도면과 나란하다면 달의 뒷면을 지구에서 더 많이 볼 수 있을 것이다. 지구에서 달의 한 쪽 면만 볼 수 있는 것처럼 달에서도 지구를 향한 쪽에서만 지구를 볼 수 있다. 지구 입장에서 달의 뒷면은 직접 가서 보기 전에는 볼 수가 없다. 달의 입장에서 보면 한 쪽 면만 지구를 향하고 있기 때문에 지구를 향하고 있지 않은 지역에서는 결코 지구를 볼 수 있는 방법이 없다.

한편 지구를 향하고 있는 달 표면 어느 곳에서는 지구를 항상 볼 수 있다. 기술적으로 말하자면 지구를 향한 달 표면에서는 지구가 뜨거나 지는 것을 볼 수 없다는 말이다. 지구에서의 월출이나 월몰 같은 개념의 지구출이나 지구몰을 볼 수 없다는 것이다. 지구는 항상 달 하늘에 (물론 지구를 향한 쪽의 경우) 떠 있는 것이다. 달 표면의 한 지역에서 계속 지구를 보고 있다면 지구는 항상 같은 자리에 머물러 있을 것이다. 아폴로 탐사선이 찍은 이른바 ‘달에서 지구가 떠오르는 사진’은 어떻게 된 것일까. 달 표면에서 우주비행사들이 찍은 사진이 아니라 아폴로 탐사선을 타고 가면서 다른 위치에서 찍은 사진이기 때문에 그렇게 보이는 것이다.

달의 하루는 지구의 한 달 정도가 된다. 낮이 14일 정도 지속되고 밤이 14일 정도 지속된다. 대기가 없는 달은 밤에는 표면 온도가 섭씨 영하 150도 이하로 떨어진다. 낮에는 영상 100도에 달한다. 달 표면에서 하늘을 바라보면 지구는 항상 같은 위치에 머물러 있으면서 그 모양이 변하고 태양과 별들은 위치가 시시각각 달라지는, 지구인 입장에서는 신기한 경험을 할 수 있을 것이다.

지구에서 개기월식이 일어날 때 세 천체는 ‘달-지구-태양’ 순으로 위치한다. 지구에서는 보름달을 볼 수 있다. 정확히 세 천체가 일직선상에 놓이면 개기월식이 일어난다. 지구에서 몇 시간 동안 개기월식을 즐기고 있을 때 달에서는 어떤 현상을 볼 수 있을까.

달 입장에서는 태양과 달 사이에 지구가 끼어드는 형국이 된다. 달에서 일식이 일어나는 것이다. 지구가 태양을 가리는 것이다. 항상 같은 위치에 떠 있는 지구 뒤쪽을 시시각각 위치가 변하던 태양이 지나가는 상황이다. 세 천체의 상대적 위치에 따라서 달에서 보는 부분일식이 일어날 수도 있다. 정확하게 세 천체가 일직선상에 놓이면 개기일식이 일어난다.

지구는 달에 비해서 네 배 정도 크다. 달에서 보는 지구는 지구에서 보는 달 크기에 비해서 네 배 커 보인다. 하늘에 떠 있는 보름달도 충분히 지구인들 마음을 빼앗는다. 달에서 보는, 보름달보다 네 배 큰 지구를 상상해 보라. 그 크기에 압도될 수도 있을 것이다.

더구나 항상 같은 위치에서 모양만 변하던 지구가 태양을 가리는 일식이 시작되면 그 감동 또한 클 것이다. 달에서 보는 지구 크기는 태양의 겉보기 크기보다도 약 네 배 클 것이다. 달에서의 일식에서는 지구에서 보는 금환일식이 있을 수 없다. 지구 겉보기 크기가 결코 태양의 겉보기 크기보다 작아질 수 없기 때문이다.

지구에서는 한 지역에서 개기일식을 관측할 수 있는 시간이 수분에 불과하다. 태양과 달의 겉보기 크기가 거의 똑같기 때문이기도 하고 지구의 자전 속도와 달 움직임 등이 복합적으로 작용하기 때문에 상당히 빠른 속도로 진행된다. 달에서 본 개기일식은 어떨까. 태양이 네 배 정도 큰 지구 뒤로 숨는 과정이 몇 시간에 걸쳐 진행된다. 최장 6시간까지도 지속된다. 달에는 대기가 없기 때문에 낮에도 태양이나 지구 바로 근처를 제외하면 별을 볼 수 있다. 지구에서처럼 한순간 어두워지고 보이지 않던 별이 보이는 장관을 볼 수는 없을 것이다. 물론 지구 근처에서 잘 보이지 않던 별들을 볼 수는 있을 것이다. 태양이 차단되고 그 시간이 몇시간에 이르기 때문에 달 표면 온도도 떨어질 것이다. 하지만 14시간 동안 지속되는 낮시간 동안 받은 태양열이 복사열 형태로 내뿜는 것을 단숨에 제압할 수는 없을 것이다. 어느 정도 온도가 낮아지는 효과는 있다.

지구에서 개기일식이 일어날 때 달에서는 어떤 현상을 목격할 수 있을까. 개기일식이 일어나려면 지구와 태양 사이에 달이 일직선상에 위치해야 한다. 그믐 때다. 지구에서는 한 지역에서 수분 정도 개기일식을 관측할 수 있다. 지구를 바라보고 있는 면에서의 달 입장에서 보면 달 자신에 의해서 태양빛이 차단되는 현상이다. 태양빛이 지구를 향해서 날아오다가 달을 만나 일부가 차단되면서 달 그림자가 지구 표면에 생기는 현상이다. 이 달 그림자 속에 위치한 지구인들은 개기일식을 경험하게 된다.

달 표면에서 보면 지구 표면에 자신의 그림자가 생긴 것을 볼 수 있다. 그 그림자는 빠른 속도로 지구 표면 한 곳에서 다른 곳으로 이동한다. 지구에서는 한 지역에서 달을 바라보면서 개기일식을 수분 동안 즐길 수 있다. 달 표면에서는 지구 표면을 통과하는 달 그림자의 이동을 볼 수 있다. 지구 표면에 까맣게 새겨진 달 자신의 작고 검은 그림자가 빠른 속도로 이동하는 것을 온전히 관측할 수 있는 것이다.

지구에서 개기월식이 일어나는 동안, 또 지구에서 개기일식이 일어나는 동안 달에 가서 반대로 긴 달의 개기일식을 즐기고 달 그림자가 지구를 통과하는 것을 관측한다고 생각해 보자. 또 다른 경이로운 경험이 될 것이다.

지구에서 보는 개기월식과 개기일식도 장관이지만 이 글에서 살펴본 것처럼 달 표면에서 보는 개기일식과 달 그림자의 지구 통과 현상은 그에 못지않은 장관이 될 것임을 의심치 않는다. 달로 가는 민간인들의 여행이 실현된다면 꼭 달에서 개기일식과 달 그림자 지구 통과를 관측하는 여행패키지를 만들면 좋겠다. 꼭 가서 보고 싶다.

▶필자 이명현

초등학생 때부터 천문 잡지를 애독했고, 고등학교 때 유리알을 갈아서 직접 망원경을 만들었다. 연세대 천문기상학과를 나와 네덜란드 흐로닝언대학에서 박사학위를 받았다. 네덜란드 캅테인 천문학연구소 연구원, 한국천문연구원 연구원, 연세대 천문대 책임연구원 등을 지냈다. 외계 지성체를 탐색하는 세티(SETI)연구소 한국 책임자이기도 하다. <이명현의 별 헤는 밤> <스페이스> <빅 히스토리 1> 등 다수의 저서와 역서가 있다. 과학책방 ‘갈다’ 대표.