천체의 위치와 좌표계
(1) 지구상의 위치와 시각
① 위도와 경도
- 위도: 자전축에 수직인 원 중 반지름이 가장 큰 원인 적도를 0°로 하고, 북쪽과 남쪽을 북위 90°와 남위 90°까지 나타낸다.
- 경도: 그리니치 천문대를 지나는 경선을 기준으로 어떤 위치를 지나는 경선이 이루는 각을 동쪽으로는 동경, 서쪽으로는 서경으로 180°까지 나타낸다.
② 방위와 시각
- 방위: 같은 경도선상의 북극 방향이 북쪽, 그 반대 편이 남쪽이며 북극을 바라보고 있을 때 같은 위도상의 오른쪽은 동쪽, 왼쪽은 서쪽이다.
- 시각: 하루 중 태양이 정남쪽(북반구)에 있을 때의 시각을 12시로 정하며, 현재 전 세계는 그리니치 천문대를 기준으로 경도에 따른 표준시를 사용한다.
(2) 천체의 좌표계
① 천구: 관측자를 중심으로 하는 반지름이 무한대인 가상의 구이다. 천구의 중심에 있는 관측자에게는 천체가 천구에 투영되어 보이므로 천체의 위치는 거리와 관계없이 방향만으로 표시된다.
② 천구의 기준점
- 천정과 천저: 관측자를 지나는 연직선이 천구와 만나는 두 점 중 위를 천정, 아래를 천저라고 한다.
- 천구의 북극과 남극: 지구의 자전축을 연장할 때 천구와 만나는 두 점을 천구의 북극과 천구의 남극이라고 한다.
- 북점과 남점: 천구의 북극과 천정을 지나는 대원(자오선)이 천구의 북극 방향에서 지평선과 만나는 지점을 북점, 그 반대편을 남점이라고 한다.
- 동점과 서점: 천구의 적도와 지평선이 만나는 두 점으로, 북점을 바라볼 때 지평선을 따라오른쪽으로 90°가 되는 지점을 동점, 지평선을 따라 왼쪽으로 90°가 되는 지점을 서점이라고 한다.
③ 천구의 기준선
- 천구의 적도: 지구의 적도를 연장하여 천구와 만나는 대원이다.
- 지평선: 관측자가 서 있는 지평면을 연장하여 천구와 만나는 대원이다.
- 시간권: 천구의 북극과 남극을 지나는 천구상의 대원이다.
- 수직권: 천정과 천저를 지나는 천구상의 대원이다.
- 자오선: 천구의 북극과 남극, 천정과 천저를 동시에 지나는 천구상의 대원으로, 시간권이면서 수직권이다.
④ 지평 좌표계: 북점(또는 남점)을 기준으로 하는 방위각과, 지평선을 기준으로 하는 고도로 천체의 위치를 나타내는 좌표계이다.
- 방위각(A): 북점(또는 남점)으로부터 지평선을 따라 시계 방향으로 천체를 지나는 수직권까지 잰 각으로 0°~360°의 값을 갖는다.
- 고도(h): 지평선에서 수직권을 따라 천정 방향으로 천체까지 측정한 각으로 0°~ 90°의 값을 갖는다.
- 천정 거리(z): 천정에서 수직권을 따라 천체까지 잰 각으로 z=(90°-h)이다.
- 지평 좌표계의 특징: 관측자 중심의 좌표계이므로 천체의 위치를 쉽게 표시할 수 있는 장점이 있지만, 관측자의 위치가 달라지면 지평면이 달라지므로 방위각과 고도의 값이 달라진다. 또한 지구가 자전함에 따라 방위각과 고도가 계속 달라진다.
⑤ 적도 좌표계: 춘분점을 기준으로 하는 적경과 천구의 적도를 기준으로 하는 적위로 천체의위치를 나타내는 좌표계이다.
- 적경(α): 춘분점을 기준으로 천구의 적도를 따라 천체를 지나는 시간권까지 시계 반대 방향(서 → 동)으로 잰 각으로, 15°를 1h로 환산하여 0h~24h로 나타낸다.
- 적위(δ): 천구의 적도를 기준으로 시간권을 따라 천체까지 잰 각으로 0°~±90°의 값을 가지며, 천체가 천구의 적도를 기준으로 북반구에 있을 때는 (+), 남반구에 있을 때는 (-) 값으로 나타낸다.
- 적도 좌표계의 특징: 관측 장소나 시각의 변화와 관계없이 천체의 위치가 일정한 값으로 표현되므로, 별들의 목록이나 성도를 작성하는 데 이용된다.
⑥ 천체의 남중 고도
- 남중 고도: 천체가 남쪽 자오선에 위치할 때 천체의 고도이다.
- 남중 고도는 천체의 적위(δ)와 관측자의 위도(φ)에 따라 달라지며, φ>δ일 때 천체의 남중 고도(h)는 아래와 같다.
- 태양의 남중 고도(북반구 중위도)
– 춘분날(추분날): 태양의 적위가 0°이고, 태양이 천구의 적도에 위치하여 정동쪽에서 떠서 정서쪽으로 진다. 낮과 밤의 길이가 같다.
– 하짓날: 태양의 적위가 +23.5°이고 1년 중 남중 고도가 가장 높다. 태양이 북동쪽에서 떠서 북서쪽으로 지며, 1년 중 낮의 길이가 가장 길다.
– 동짓날: 태양의 적위가 -23.5°이고 1년 중 남중 고도가 가장 낮다. 태양이 남동쪽에서 떠서 남서쪽으로 지며, 1년 중 낮의 길이가 가장 짧다.
행성의 겉보기 운동
(1) 행성의 겉보기 운동: 행성의 적경과 적위가 시간에 따라 변하면서 행성이 천구상에서 별들사이를 매우 불규칙하고 복잡하게 움직이는 현상이다.
① 순행: 행성이 배경별에 대해 서쪽에서 동쪽으로 움직이는 겉보기 운동이다.
⇨ 행성의 적경이 증가한다.
② 역행: 행성이 배경별에 대해 동쪽에서 서쪽으로 움직이는 겉보기 운동이다.
⇨ 행성의 적경이 감소한다.
③ 유: 순행에서 역행으로, 또는 역행에서 순행으로 이동 방향이 바뀔 때 행성이 정지한 것처럼 보이는 시기이다.
④ 행성의 움직임은 순행 → 유 → 역행 → 유 → 순행이 계속 반복되며 나타난다.
(2) 내행성의 위치와 겉보기 운동
① 내행성의 위치 관계
- 내합: 태양–내행성–지구의 순으로 놓여 내행성의 이각이 0°일 때
- 외합: 내행성–태양–지구의 순으로 놓여 내행성의 이각이 0°일 때
- 최대 이각: 내행성의 이각이 가장 클 때로 내행성이 태양의 동쪽에 위치하면 동방 최대 이각, 태양의 서쪽에 위치하면 서방 최대 이각이라고 한다.
– 수성의 최대 이각: 약 18°~28°
– 금성의 최대 이각: 약 48°
② 내행성의 관측
- 지구 공전 궤도의 안쪽에서 공전하므로 태양과 이루는 이각이 일정한 각도 이상 커지지 못해 항상 태양 근처에서만 관측된다.
- 태양보다 서쪽에 위치할 때는 새벽에 동쪽 하늘에서 관측할 수 있고, 태양보다 동쪽에 위치할 때는 초저녁에 서쪽 하늘에서 관측할 수 있다.
- 지구와의 거리가 가까울수록 크게 관측된다. 겉보기 크기(시지름)는 내합 부근에서 가장 크고, 외합 부근에서 가장 작다.
- 내행성의 위상은 외합 부근에서 보름달 모양, 동방 최대 이각에서 상현달 모양, 서방 최대이각에서 하현달 모양이다.
- 외합과 내합에 위치할 때는 태양과 함께 뜨고 지므로 관측하기 어렵다.
- 내행성은 지구보다 공전 속도가 빠르므로 지구와 가장 가까운 위치인 내합(4)을 전후하여 역행하며, 그 외 대부분의 공전 기간에는 순행한다. 지구와 내행성이 1 → 2로 이동하는 동안에는 순행(서 → 동)하고, 2 → 6으로 이동하는 동안에는 역행(동 → 서)하며, 6 → 7로 이동하는 동안에는 순행(서 → 동)한다.
(3) 외행성의 위치와 겉보기 운동
① 외행성의 위치 관계
- 합: 외행성–태양–지구의 순으로 놓여 외행성의 이각이 0°일 때
- 충: 태양–지구–외행성의 순으로 놓여 외행성의 이각이 180°일 때
- 구: 외행성의 이각이 90°일 때로 외행성이 태양의 동쪽에 위치하면 동구, 태양의 서쪽에 위치하면 서구라고 한다.
- 위치 관계 변화 순서: 외행성은 지구보다 공전 속도가 느리므로 충 → 동구 → 합 → 서구의 순으로 위치 관계가 변한다.
② 외행성의 관측
- 충에 위치할 때: 행성이 태양의 정반대 방향에 위치하므로 해가 질 무렵에 떠서 해가 뜰 무렵에 지며, 자정 무렵에는 남쪽 하늘에서 관측할 수 있다. 충 부근에 위치할 때는 지구로부터의 거리가 가장 가까우므로 시지름이 최대이고, 가장 밝게 관측된다.
- 구에 위치할 때: 서구에 위치할 때는 태양보다 약 6시간 먼저 뜨고 지므로 자정부터 새벽까지 관측된다. 동구에 위치할 때는 태양보다 약 6시간 늦게 뜨고 지므로 초저녁부터 자정까지 관측된다.
- 합에 위치할 때: 태양과 함께 뜨고 지므로 관측하기 어렵다.
- 외행성의 위상: 지구에서 관측할 때 외행성은 항상 반달보다 큰 위상으로 관측된다.
- 외행성은 지구보다 공전 속도가 느리므로, 지구와 외행성이 1 → 2로 이동하는 동안에는 순행(서 → 동)하고, 2 → 4로 이동하는 동안에는 역행(동 → 서)하며, 4 → 5로 이동하는 동안에는 순행(서 → 동)한다. 외행성은 공전하는 동안 대부분 순행하고, 충인 3 부근에 있을 때 역행한다.
- 외행성이 뜨고 지는 시각 변화: 시간이 지남에 따라 외행성이 뜨고 지는 시각은 그 전날에비해 항상 빨라진다.
우주관의 변천
(1) 프톨레마이오스의 지구 중심설(천동설)
① 지구는 우주의 중심에 고정되어 있고, 지구로부터 달, 수성, 금성, 태양, 화성, 목성, 토성의 순으로 각각 원 궤도를 그리며 지구 주위를 공전하고 있다는 태양계 모형이다.
② 행성들은 자기 궤도상에 중심을 두고 있는 작은 주전원을 돌며, 주전원의 중심이 지구 주위를 돈다. ⇨ 행성의 역행을 설명
③ 수성과 금성의 주전원 중심은 항상 지구와 태양을 잇는 선 위에 위치한다. ⇨ 수성과 금성이 태양으로부터 일정한 각도 안에서만 관측되어 새벽이나 초저녁에만 관측되는 현상을 설명
(2) 코페르니쿠스의 태양 중심설(지동설)
① 태양을 중심으로 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성이 원 궤도로 공전한다는 모형이다.
② 행성의 공전 속도는 태양으로부터 멀어질수록 느려진다. 주전원 없이 행성의 역행을 간단히 설명
③ 수성과 금성은 지구보다 안쪽 궤도에서 공전한다. ⇨ 수성과 금성의 최대 이각 설명
④ 지구는 하루를 주기로 자전하며, 달은 지구를 중심으로 공전한다.
(3) 티코 브라헤의 지구 중심설
① 태양 중심설의 증거인 별의 연주 시차를 측정하기 위해 노력하였으나 연주 시차가 매우 작아 측정에 실패하였다. 그후 지구가 공전한다는 태양 중심설을 포기하고 자신만의 태양계 모형을 주장하였다.
② 지구는 우주의 중심이고, 달과 태양은 지구를 중심으로 공전하며, 수성, 금성, 화성, 목성, 토성은 태양을 중심으로 공전한다.
③ 주전원 없이 두 개의 회전 중심이 있는 태양계 모형으로 내행성의 최대 이각 및 행성의 역행을 설명하였다.
(4) 갈릴레이의 관측과 우주관의 확립: 갈릴레이는 직접 만든 망원경으로 밤하늘을 관측하여 지구 중심설로는 설명할 수 없는 다양한 사실을 발견하였다.
① 목성 위성의 위치 변화 관측: 목성 주위를 공전하는 위성이 있다는 것은 모든 천체가 지구를 중심으로 돈다고 설명한 지구 중심설로는 설명되지 않는다.
② 보름달 모양의 금성 위상 관측: 보름달 모양의 금성이 관측되기 위해서는 금성이 태양의 뒤쪽에 위치해야 하는데, 금성이 태양과 지구 사이의 주전원에서만 공전하는 지구 중심설로는 설명되지 않는다.
③ 금성의 시지름 변화: 금성의 시지름 변화가 프톨레마이오스의 지구 중심설로는 설명할 수 없을 만큼 크게 관측된다.
참고자료: EBS 수능 특강 지구과학2
