지구와 우주 퀴즈 12문제 - 항성일과 태양일, 남중고도 계산, 낮 길이와 일출 일몰, 상현달, 사리와 조금, 일식 월식 조건, 계절별 별자리, 북극성 고도와 위도, 유성과 운석, 태양 흑점, 자북과 편각, 근일점과 원일점

정답과 해설

1. 지구의 자전 주기와 하루의 길이에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 먼 별을 기준으로 한 바퀴 도는 데는 약 23시간 56분이 걸리고, 태양이 다시 남중할 때까지는 약 24시간이 걸린다. 지구는 자전하면서 동시에 태양 둘레를 공전합니다. 먼 별을 기준으로 정확히 한 바퀴 돌아 제자리에 오는 시간은 약 23시간 56분 4초이고 이를 항성일이라 합니다. 그런데 그 사이 지구가 공전 궤도를 따라 조금 이동했기 때문에 태양이 다시 남쪽 하늘 한가운데로 오려면 약 4분을 더 돌아야 하고, 그래서 우리가 쓰는 하루는 24시간이 됩니다. 4분씩 쌓인 차이가 일 년이면 하루치가 되어 별자리가 계절마다 다르게 보이는 결과로 이어집니다. 같은 별이 어제보다 4분쯤 일찍 뜨는 것을 여러 날 관찰하면 이 차이를 직접 확인할 수 있습니다.
2. 위도 37.5도인 지역에서 춘분날 태양의 남중고도는 대략 얼마인가? — 정답: 약 52.5도. 남중고도는 태양이 그날 가장 높이 떴을 때 지평선에서 잰 각도입니다. 춘분과 추분에는 태양이 적도 바로 위를 지나므로 90도에서 그 지역의 위도를 빼면 됩니다. 위도 37.5도라면 90에서 37.5를 뺀 52.5도입니다. 하지에는 자전축이 기울어진 각인 23.5도를 더해 약 76도까지 올라가고, 동지에는 같은 값을 빼서 약 29도에 그칩니다. 여름에 그림자가 짧고 겨울에 길게 늘어지는 것, 겨울 햇살이 방 안 깊숙이 들어오는 것이 모두 이 차이에서 나옵니다. 남향 창의 처마 길이를 정할 때도 이 각도를 씁니다.
3. 하지 무렵 낮의 길이와 일출·일몰 시각에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 낮의 길이는 하지에 가장 길지만, 해가 가장 일찍 뜨는 날과 가장 늦게 지는 날은 하지와 며칠씩 어긋난다. 낮의 길이가 가장 긴 날은 하지가 맞지만, 일출이 가장 이른 날은 하지보다 며칠 앞서고 일몰이 가장 늦은 날은 며칠 뒤에 옵니다. 지구의 공전 궤도가 완전한 원이 아니고 자전축도 기울어 있어서 태양이 남중하는 시각 자체가 계절에 따라 조금씩 앞뒤로 흔들리기 때문입니다. 같은 이유로 동지 무렵에도 해가 가장 일찍 지는 날과 가장 늦게 뜨는 날이 동지와 어긋납니다. 이 어긋남을 모아 그린 곡선을 균시차라 하고, 해시계의 시각을 시계와 맞추려면 이 값을 보정해야 합니다. 낮의 길이는 위도가 높을수록 여름과 겨울의 차이가 커집니다.
4. 북반구에서 본 상현달에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 오른쪽 절반이 밝은 반달로, 낮에 떠서 해 질 무렵 남쪽 하늘에 높이 걸렸다가 자정 무렵 진다. 달은 스스로 빛을 내지 않고 태양 빛을 받은 쪽만 밝게 보입니다. 상현은 삭과 망의 중간이라 지구에서 보면 절반이 밝은데, 북반구에서는 그 밝은 쪽이 오른쪽입니다. 위치로 보면 태양보다 약 90도 동쪽에 있어 정오 무렵 떠오르고 해가 질 즈음 남쪽 하늘 높이에 있으며 자정께 서쪽으로 넘어갑니다. 그래서 초저녁 산책에서 가장 눈에 잘 띄는 달이 상현달입니다. 하현달은 반대로 왼쪽이 밝고 자정 무렵 떠서 새벽 하늘에 걸립니다. 낮에도 달이 하늘에 있는 경우가 많지만 하늘이 밝아 눈에 덜 띌 뿐입니다.
5. 바다의 물때에서 사리와 조금에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 태양과 달이 일직선에 놓이는 그믐과 보름 무렵에 밀물과 썰물의 차이가 가장 커지고, 반달 무렵에는 차이가 가장 작아진다. 조석은 주로 달이, 그리고 그보다 약하게 태양이 바닷물을 끌어당겨 생깁니다. 그믐과 보름에는 태양과 달과 지구가 거의 일직선에 놓여 두 힘이 같은 방향으로 겹치므로 물이 가장 많이 들고 나며 이때를 사리라 합니다. 상현과 하현에는 두 힘이 직각으로 어긋나 서로 상쇄되어 물의 오르내림이 가장 작아지고 이때가 조금입니다. 대개 하루에 두 번씩 밀물과 썰물이 오가되 시각이 매일 50분쯤 늦어집니다. 갯벌 체험이나 갯바위 낚시에서 물때표를 꼭 확인하라는 것은 사리 무렵에 물이 차오르는 속도가 특히 빠르기 때문입니다.
6. 일식과 월식이 매달 일어나지 않는 이유로 맞는 것은? — 정답: 달이 도는 길이 지구가 태양을 도는 길에 대해 약 5도 기울어져 있어, 그믐과 보름마다 세 천체가 정확히 한 줄에 놓이지는 않기 때문이다. 일식은 달이 태양과 지구 사이에 들어가는 그믐에, 월식은 지구가 태양과 달 사이에 놓이는 보름에만 일어날 수 있습니다. 그런데 달의 궤도면이 지구의 공전 궤도면에 대해 약 5도 기울어 있어서 대부분의 그믐과 보름에는 달이 그림자보다 위나 아래로 지나갑니다. 두 궤도면이 만나는 지점 근처에서 그믐이나 보름이 되어야 식이 생기고, 그런 조건은 한 해에 몇 차례만 찾아옵니다. 일식은 달그림자가 닿는 좁은 지역에서만 보이지만 월식은 달이 떠 있는 지구의 절반에서 모두 볼 수 있어 훨씬 자주 보게 됩니다. 개기월식에서 달이 붉게 보이는 것은 지구 대기를 지나며 휘어 들어온 붉은빛 때문입니다.
7. 계절마다 밤하늘에 보이는 별자리가 달라지는 이유로 맞는 것은? — 정답: 지구가 태양 둘레를 돌면서 밤이 향하는 방향이 조금씩 달라져, 계절에 따라 한밤중에 남쪽 하늘에 오는 별자리가 바뀌기 때문이다. 지구가 공전하면 태양을 등진 쪽, 곧 밤이 바라보는 우주의 방향이 달라집니다. 그래서 여름 한밤중에 남쪽 하늘에 오는 별자리와 겨울 한밤중에 오는 별자리가 서로 다르고, 반년이 지나면 정반대 방향의 하늘을 보게 됩니다. 여름에 보이는 전갈자리와 겨울에 보이는 오리온자리를 같은 밤에 볼 수 없는 것이 그런 이유입니다. 별 자체가 움직이는 것은 아니고 우리가 보는 방향이 달라지는 것입니다. 반면 북극성 주변의 별자리는 일 년 내내 지평선 아래로 내려가지 않아 언제든 볼 수 있고, 이런 별자리를 주극성이라 부릅니다.
8. 북극성의 고도로 알 수 있는 것은? — 정답: 북극성이 지평선 위로 떠 있는 각도가 그 자리의 위도와 거의 같다. 북극성은 지구 자전축을 북쪽으로 늘였을 때 가리키는 방향 가까이에 있어 밤새 거의 제자리에 머무릅니다. 그래서 북극에서는 머리 꼭대기 부근인 90도, 적도에서는 지평선 근처인 0도에 놓이고, 그 사이에서는 관측지의 위도와 거의 같은 높이에 뜹니다. 위도 37.5도인 곳이라면 북쪽 하늘 37.5도쯤에 보인다는 뜻입니다. 항해에서 위도를 재는 오래된 방법이 바로 이 각도를 측정하는 것이었습니다. 반면 경도는 기준 시각과 현지 시각의 차이를 알아야 구할 수 있어 정확한 시계가 나온 뒤에야 해결됐습니다. 북극성 자체는 아주 밝은 별은 아니어서 북두칠성이나 카시오페이아자리를 길잡이로 찾습니다.
9. 유성과 운석의 관계로 맞는 것은? — 정답: 우주를 떠돌던 부스러기가 대기에 들어와 타면서 빛나는 현상이 유성이고, 다 타지 않고 지표까지 떨어진 덩어리를 운석이라 한다. 우주에 떠도는 작은 부스러기를 유성체라 하고, 이것이 초속 수십 킬로미터로 대기에 뛰어들면 앞쪽 공기가 급격히 압축돼 뜨거워지면서 밝은 자국을 남깁니다. 이 현상이 유성이고 대개 모래알 정도 크기에서 일어납니다. 크기가 커서 다 타지 않고 땅에 닿으면 운석이라 부릅니다. 별이 떨어지는 것과는 아무 관계가 없습니다. 해마다 같은 시기에 유성이 많이 보이는 유성우는 혜성이 지나가며 흩뿌린 부스러기 지대를 지구가 통과하기 때문이며, 페르세우스자리 유성우가 8월에, 쌍둥이자리 유성우가 12월에 찾아오는 것이 그런 예입니다.
10. 태양의 흑점에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 주변보다 온도가 낮아 상대적으로 어둡게 보이는 부분이며, 그 수는 대략 11년을 주기로 늘었다 줄었다 한다. 흑점은 태양의 강한 자기장이 뜨거운 물질의 대류를 눌러 놓은 자리라 주변보다 온도가 1,000도 넘게 낮습니다. 그래도 4,000도 안팎이어서 그 자체로는 매우 밝지만, 6,000도 가까운 주변과 나란히 놓이니 어둡게 보일 뿐입니다. 흑점의 수는 대략 11년을 주기로 많아졌다 적어지기를 반복하고, 활동이 활발한 시기에는 태양에서 뿜어져 나온 입자가 지구 자기장과 부딪치며 오로라가 늘고 통신과 위성 운용에 영향을 주기도 합니다. 흑점이 태양 표면을 가로질러 옮겨 가는 모습을 관찰하면 태양도 자전한다는 사실을 알 수 있습니다. 다만 태양을 맨눈이나 일반 망원경으로 직접 보는 것은 매우 위험합니다.
11. 나침반과 지구 자기장에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 나침반 바늘이 가리키는 자북과 지도의 기준인 진북은 서로 어긋나 있어, 정밀한 방위가 필요하면 그 차이를 보정해야 한다. 지구는 커다란 자석처럼 자기장을 두르고 있지만 그 축이 자전축과 정확히 겹치지 않습니다. 그래서 나침반이 가리키는 자북과 지도에 그려진 진북 사이에 각도 차이가 생기고 이를 편각이라 합니다. 우리나라에서는 자북이 진북보다 서쪽으로 몇 도쯤 치우쳐 있으며, 값은 지역마다 다르고 세월이 지나면서 조금씩 변합니다. 그래서 지형도 여백에는 그 지역의 편각과 기준 연도가 함께 적혀 있습니다. 나침반은 주변 쇠붙이나 전류가 흐르는 기기에 쉽게 흔들리므로 자동차 안이나 철제 난간 옆에서 잰 방위는 믿기 어렵습니다. 지구 자기장은 아주 긴 시간 동안 방향이 뒤집힌 기록이 암석에 남아 있습니다.
12. 지구와 태양 사이의 거리 변화에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 지구의 공전 궤도가 약간 찌그러진 타원이라 1월 초에 태양과 가장 가깝고 7월 초에 가장 먼데, 그 차이는 계절을 만드는 주된 요인이 아니다. 지구의 공전 궤도는 원에 가깝지만 완전한 원은 아니어서, 1월 초에 태양과 가장 가까운 근일점을, 7월 초에 가장 먼 원일점을 지납니다. 거리 차이는 약 3퍼센트 수준으로 크지 않습니다. 북반구가 한겨울일 때 오히려 태양에 더 가깝다는 사실은 거리가 계절을 만드는 것이 아니라는 점을 잘 보여 줍니다. 계절을 가르는 것은 자전축이 기울어 있어 햇빛이 지표에 부딪히는 각도와 낮의 길이가 달라지는 데 있습니다. 같은 양의 햇빛도 비스듬히 들어오면 넓은 면적에 퍼지므로 단위 면적이 받는 열이 줄어듭니다. 남반구에서는 계절이 정반대로 나타납니다.

도는 지구가 만드는 것

먼 별을 기준으로 한 바퀴 도는 항성일은 약 23시간 56분이고, 공전으로 이동한 만큼 더 돌아 태양이 다시 남중하기까지는 약 24시간이 걸립니다. 이 4분의 차이가 쌓여 계절마다 밤하늘의 별자리가 달라집니다. 남중고도는 춘분과 추분에 90도에서 위도를 뺀 값이라 위도 37.5도에서는 52.5도이고, 하지에는 23.5도를 더해 약 76도, 동지에는 빼서 약 29도가 됩니다. 낮이 가장 긴 날은 하지지만 해가 가장 일찍 뜨는 날과 가장 늦게 지는 날은 하지와 며칠씩 어긋납니다. 지구는 1월 초에 태양과 가장 가깝고 7월 초에 가장 머니, 계절을 만드는 것은 거리가 아니라 자전축의 기울기입니다.

달이 만드는 것

상현달은 오른쪽 절반이 밝고 낮에 떠서 해 질 무렵 남쪽 하늘 높이에 걸렸다가 자정께 집니다. 하현달은 반대로 왼쪽이 밝고 새벽 하늘에 보입니다. 조석은 그믐과 보름에 태양과 달의 힘이 겹쳐 차이가 가장 커지는 사리, 반달 무렵 서로 어긋나 차이가 작아지는 조금으로 나뉘며 밀물과 썰물은 하루 두 번씩 오되 매일 50분쯤 늦어집니다. 일식은 그믐에, 월식은 보름에만 가능하지만 달의 궤도면이 약 5도 기울어 있어 매달 일어나지는 않고, 월식은 달이 뜬 지역 어디서나 보여 일식보다 자주 보게 됩니다.

맨눈으로 확인되는 것

북극성의 고도는 그 자리의 위도와 거의 같아 예부터 위도를 재는 기준으로 쓰였고, 북두칠성이나 카시오페이아자리를 길잡이로 찾습니다. 유성은 유성체가 대기에서 타며 빛나는 현상이고 다 타지 않고 떨어진 덩어리가 운석이며, 유성우는 혜성이 남긴 부스러기 지대를 지구가 지날 때 나타납니다. 흑점은 자기장이 대류를 눌러 주변보다 온도가 낮아진 자리라 어둡게 보일 뿐 그 자체로는 매우 밝고, 수가 약 11년 주기로 오르내립니다. 나침반이 가리키는 자북은 지도의 진북과 어긋나 있어 정밀한 방위에는 편각 보정이 필요하며, 우리나라에서는 자북이 서쪽으로 몇 도 치우쳐 있습니다.

자주 묻는 질문