우리에게 너무나 친숙한 달.
오래전부터 달은 우리의 생활과 밀접한 관련이 있었다.
달이 지구를 한 바퀴 돌아 제자리로 돌아오는 기간을 1로 잡아 음력을 만들었고, 달이 태양을 가리는 일식이 일어나게 되면 조상들은 이 땅에 곧 재앙이 닥칠 것이라는 미래를 점치곤 했다.
또한 달에 보이는 까만 무늬를 보고 각 문화별로 그들만의 상상의 나래를 펼치곤 했다.
달은 영화의 소재로도 쓰였으며, 달을 소재로 한 최초의 영화는 조르주 멜리에스의 '달 세계의 여행'이다.
영화가 발명된 지 채 20년도 지나지 않은 시점에
조르주 멜리에스는 로켓에 사람을 태우고 달에 쏘아보내어 그곳을 탐험하는 내용을 소재로 영화를 제작했다.
이렇듯 달은 예로부터 우리 삶의 여러 가지 측면에서 밀접한 관계를 지니고 있었다.
달은 우리 지구로부터 대략 38만 km 떨어진 곳에서 한 달에 한 번씩 지구 주위를 돌고 있다.
특이한 점이라면 달의 자전주기와 공전주기가 동일하다는 것인데, 천문학 용어로 이를 Synchronous Rotation이라고 일컫는다.
(synchronous는 동일하다는 의미를 지니고 있다)
이러한 달의 주기 때문에 우리는 달의 앞면밖에 볼 수 없는데 정확히 달의 50%만 볼 수 있는 것은 아니다.
달을 일정한 간격으로 촬영하여 영상으로 만들어보면
아래와 같은 모습을 볼 수 있다.
이처럼 달 자체가 팽이처럼 회전하고 있는 모습이 보이는데, 이러한 현상을 칭동, 장동이라고 부른다.
이 현상은 달이 타원궤도를 돈다는 점과, 황도면을 기준으로 공전궤도면이 약 6도 정도 기울어져 있다는 특성 때문에 발생하는데, 이 덕분에 우리는 달의 약 60% 정도의 면적을 볼 수 있게 되는 셈이다.
달의 질량은 상당히 작아서 지구의 1퍼센트에 지나지 않으며, 표면 중력은 지구의 1/6에 불과하다.
그래서 우리가 달에 간다면 누구나 높이뛰기 선수가 될 수 있을 것이다.
달은 지구와 달리 다양한 형태의 지형들이 상당히 많은데, 기본적으로 대기가 없기 때문에 달 전체를 크레이터(Crater)가 가득 메우고 있으며, 달의 앞면에 보이는 까만 부분인 마리아(Mare, 머-레이라고 읽는다, 복수형은 Maria), 그리고 마리아보다 밝은 부분인 테라(Terrain, 복수형 Terrae)가 존재하는데
마리아는 라틴어로 '바다'라는 뜻이며, 테라는 '땅'이라는 뜻이다.
보통 테라는 산악지대(Highland)라고도 부르는데 마리아보다 고도가 상당히 높기 때문이다.
그 고도는 보통 2~5km 정도라고 한다.
이 세 지형 이외에 달에는 지구에서 볼 수 없는 특이한 지형이 하나 더 있는데, 이 지형은 마치 목성의 위성인 유로파에서 흔히 볼 수 있는 멜론의 줄무늬와 비슷한데 이를 Scarps(절벽)라고 부른다.
지구에서 동이 틀 때나 해가 지고 나서 한참 동안 하늘이 환한 현상을 여명이라고 하는데, 달에도 여명이라고 부르는 용어가 있으며, 달의 여명을 Terminator라고 한다.
이는 태양이 뜨기 직전이나 진 직후의 기간을 의미한다.
달에서는 낮과 밤의 기온차는 엄청나게 크며, 태양빛이 드리우는 곳은 섭씨 160도가 넘어가며, 그늘진 곳은 영하 100도를 밑돈다.
이렇게 극심한 일교차 때문에 과거 달을 탐사하려는 경쟁이 한창 진행되었을 때 우주인들은 해가 진 직후나 뜨기 직전의 시간대에 Terminator에 착륙하여 서둘러 임무를 완수 후 떠났다고 한다.
초기의 달 탐사는 처음부터 유인 탐사로 이루어지지 않았으며 몇 차례 무인 우주선을 보낸 후 보완점을 개선한 뒤 유인 탐사선을 보내게 되었다.
당시 천문학자들은 달의 표면이 마치 진흙 구덩이와 같다고 생각했으며, 발버둥 칠수록 더 깊게 밑으로 가라앉을 것이라 예상했다.
이러한 이유로 초기에는 유인 탐사 계획을 신중하게 고려했다고 한다.
실제로 달의 표면은 위 사진의 형태로 덮여있는데 이를 천문학 용어로 이를 Regolith라 하며, '표토' 정도로 번역된다.
보통 표토는 지표면의 흙을 뜻하는데, 흙은 커다란 바위가 침식 과정을 거쳐 서서히 깎여나갈 때 생기는 먼지이다.
달에는 이러한 침식 현상이 일어날 만한 조건이 없는데 어떻게 표토가 존재하게 되었을까?
대기가 없기 때문에 바람도 불지 않고, 지각활동도 없기 때문에 돌이 부서질만한 자극도 없는 환경에서.
(달에도 지구의 조석력 때문에 '월진'(moonquake)이 발생하기는 하지만 그 영향력은 미약하다.)
그에 대한 해답은 '소행성 충돌' 과 '태양풍'에 있다.
여기서 말하는 소행성 충돌은 지름이 수 km나 되는 거대한 소행성과의 충돌이 아니라 아주 작은 소행성과의 충돌을 뜻한다.
즉, micrometeorite(유성)와의 충돌이다.
학계에서는 이 미소유성들이 달과 끊임없이 충돌하여 달의 지각과 부딪히며 생긴 먼지가 점차 쌓인 것으로
보고 있다.
또한 태양풍 역시 달의 표토가 생기게 하는 원인이 될 수 있는데, 태양풍은 태양으로부터 방출되는 초속 400km 이상의 고속 하전입자를 뜻한다.
이 입자들이 비록 크기는 매우 작다고 하더라도 그 양이 엄청나게 많으며, 속도 또한 매우 빠르기 때문에 엄청난 양의 운동에너지를 가진다.
달에는 이러한 하전입자를 막아줄 대기와 자기장이 없기 때문에 하전입자가 그대로 표면에 도달하게 되고, 이 하전입자들이 달의 표면과 부딪히며 조금씩 침식을 시켰다.
이렇게 수십억 년이 흘러 현재 달의 표토는 그 깊이가 평균 20m에 달하는 것으로 추산되며, 깊은 곳은 50m가 된다고 한다.
이 때문에 유인 탐사를 위해선 표토가 매우 얕은 곳을 선정해야 하는 어려움이 있었다.
※ 아폴로 11호가 최초로 사람을 싣고 달에 착륙했을 때 그들은 원래 계획된, 표토의 깊이가 얕은 곳에 착륙하려고 했지만 계산 착오로 목표 지점에서 한참 벗어난 곳에 착륙했고, 목표지점에 재착륙하기 위해 되돌아가려 했지만 지구로 돌아갈 연료를 생각해 목표 지점이 아닌 곳에 착륙했다고 한다.
불행 중 다행으로 착륙한 곳이 표토의 깊이가 상당히 얕은 장소였고, 그들은 무사히 달에 발을 디딜 수 있었다고 한다.
달이 어떻게 생겨났는지에 대한 토론은 이전부터 끊이질 않았다.
이전까지 소개된 이론으로는 포획설, 동시 생성설 등이 있었으며 이 이론 중 오늘날 가장 그럴듯하다고 받아들여지는 이론은 '미행성 충돌설(Collisional Ejection Theory)'이다.
이 가설은 지구가 생긴 지 얼마 되지 않아 화성 크기의 천체가 지구를 스치듯이 충돌했고, 그 충돌의 여파로 만들어진 위성이 달이라는 것이다.
이 이론을 적용하면 그전의 이론으로는 설명할 수 없었던 현상들, 가령 달의 밀도가 지구의 지각 밀도와 유사한 점, 지구와 달에 포함된 산소-16과 방사성 동위원소 산소-17 및 산소-18의 비율, 티타늄-47과 티타늄-50 비율, 텅스텐-184와 텅스텐-182의 비율 등이 거의 일치할 정도로 비슷한 점, 그리고 무엇보다 이전에 소개된 이론으로는 설명할 수 없었던 달의 공전궤도면이 황도면과 불과 5도밖에 차이 나지 않는 이유를 가장 그럴듯하게 설명할 수 있기에 오늘날 대세 이론으로 자리 잡았다.
또한 이 미행성 충돌설은 지구의 자전축이 왜 공전궤도면을 기준으로 23.5도 기울어져 있는지도 설명해 주고 있기에 상당히 그럴듯한 이론이다.
달의 운석을 방사성 동위원소로 측정해 보면 가장 오래된 것은 대략 43억 년 정도 된다고 한다.
위의 실험 결과를 토대로 달은 지금으로부터 약 45억 년 전에 생성되었다고 여겨지며, 이 시기의 지구는 거의 제 모습을 갖춘 상태였다.
마그마로 들끓던 행성 전체는 화학적 분화로 가벼운 것은 위로 뜨고 무거운 것은 아래로 가라앉았으며, 이 상태로 굳어져 가고 있었다.
45억 년 전 태양계의 안쪽은 상당히 복잡했다.
수십여 개의 미행성체가 아직도 태양 주변을 불규칙적으로 돌고 있었으며, 이중 화성 크기의 미행성체 하나가 어느 날 지구와 충돌하게 된다.
정확히 지구의 중심 쪽으로 충돌했다면 둘 다 파괴되어 달을 만들어내질 못했을 테지만, 이 둘은 질량중심과 살짝 벗어난 곳으로 비스듬히 충돌을 했다.
그때 당시 지구는 이미 화학적 분화가 끝난 상태였기 때문에 표면은 오늘날과 같은 규소와 산소로 이루어져 있었고, 그 밀도는 대략 3500g/cm^3 정도였다.
이 상태에서 비스듬히 충돌을 했기 때문에 지구의 가벼운 표면 부분은 그대로 벗겨져 나갔고, 엄청난 충돌의 여파로 자전축마저 기울어져 버렸다.
바깥으로 날아간 돌덩이들은 다시 지구 중력권에 붙잡혀 주위를 맴돌기 시작했고, 이들은 태양계가 형성되는 것과 같은 원리로 서서히 뭉쳐져 오늘날의 달을 만들어냈다.
이때가 충돌 후 대략 2억 년 후였으며, 달의 내부가 채 식기도 전인 41억 년 전부터 38억 년 전까지 달에는 후기 운석 대폭격기(Late Heavy Bombardment)라 불리는 대 격변의 시기가 존재했다.
이 기간 동안 100년에 한 번꼴로 수 km 소행성이 달과 충돌했으며, 충돌의 여파로 크기 수십~수백 km, 깊이
수 km의 거대한 분지를 만들어냈다.
이러한 일들은 상당히 드물게 발생하는 것이라 볼 수도 있는데, 이 과정이 수억 년 동안 지속됐기 때문에 달은 이 기간 동안 직경 수 km의 소행성 수백만 개와 충돌했다.
하지만 당시 달의 내부는 아직 식지 않은 상태였기 때문에 충돌의 여파로 마그마가 뿜어져 나왔고,
이 마그마는 거대한 분지를 그대로 덮어버렸다.
시간이 지나 이들은 굳어지면서 까맣게
변하여(화산암) 오늘날의 바다라고 불리는 지형을 만들어냈다.
굳어진 마그마는 주변에 비해 밀도가 상대적으로 컸으며, 마그마가 표면에 노출된 지역은 다른 지역보다 질량이 더 나가게 되었다.
이렇게 발생한 질량의 불균형은 지구의 중력에 의해 바다가 지구 쪽을 향하도록 하였고, 최초 생성된 달은 지금의 거리보다 상당히 가까웠기 때문에 지구의 조석력에 의해 자체적인 회전성분이 멈춰버렸다.
후기 운석 대폭격기 이후에도 꾸준한 소행성 충돌에 의해 달에는 점차 많은 크레이터들이 생겨났으며,
달이 차츰 식어가면서 액체 상태로 존재했던 맨틀과 핵은 대부분 고체 상태로 변하게 되었다.
이렇게 달은 식어가면서 크기가 조금씩 줄어들었고,
동일한 질량 내에서 물체를 압축시키면 찌그러지는
것과 같이, 달은 건포도처럼 표면 곳곳에 균열이 생기게 된다.
이렇게 발생한 균열이 위에서 언급한 Scarps(절벽)
이며, (이러한 Scarps는 수성의 표면에도 존재한다) 이 과정을 거쳐 오늘날의 달이 탄생하게 된 것이다.
달은 지구로부터 서서히 멀어지고 있는데 달을 포함한 다른 행성 주위의 대부분의 위성들도 이러한 현상을 보이고 있다.
이 현상은 지구와 달에서 발생하는 효과가 가장 크며, 다른 위성들도 이 현상을 겪지만 대부분 그 정도가 너무 약해서 무시해도 되는 수준이다.
서해안에서 볼 수 있는 조수간만 현상은 달이 지구로부터 멀어지는 현상과 밀접한 관련이 있다.
달은 지구에 비해서 그 중력이 상당히 약하지만
이 미약한 중력은 고체 상태의 지구를 비틀기에는 턱없이 부족하지만, 유체인 물의 경우는 충분히 영향을 줄 수가 있다.
그래서 달이 끌어당기는 방향과 그 반대편으로 물이 쏠리게 되는데, 마침 그 지역에 있다면 조수간만을 보게 되는 것이다.
그런데 지구가 반시계 방향으로 자전하기 때문에 쏠린 물 역시 두 천체의 질점을 기준으로 약 10도 정도 벗어나게 되는데, 물 자체도 중력을 가지고 있기 때문에 달을 끌어당기게 된다.
그런데 달 역시 반시계 방향으로 공전하므로, 이 중력은 달의 공전 속도를 높이는 결과를 만들어내게 되고, 같은 중력에서 강한 원심력에 의해 바깥으로 물체가 튕겨져 나가는 것처럼 달은 지구로부터 멀어진다.
※ 질점
질점은 어떤 물체, 혹은 물체의 일부분의 무게중심에 전체의 무게가 집중되어 있다고 가정했을 때 무게가 존재하는 지점이다.
좀 더 간단하게는 무게 값을 가지는 0차원 상의 점이다.
또한 지구에는 액체 상태의 물이 상당히 많이 존재하기 때문에 다른 행성의 위성보다 그 정도가 매우 큰 것이다.
그리고 이렇게 어긋난 물들은 토크를 발생시켜서 다시 원래 모양으로 되돌아가려고 하는데, 이 힘은 지구의 자전 방향과는 반대 방향이기 때문에 이 물과의 마찰이 발생하여 지구의 자전 속도를 늦추게 되는 것이다.
이 현상으로 지구의 자전은 100년에 0.002초씩 느려진다고 한다.
달리 말하면 달이 생성된 지 얼마 되지 않았을 때에는 지금보다 훨씬 가까웠고, 지구의 자전 역시 상당히 빨랐다는 것을 알 수 있으며, 현재로부터 오랜 시간이 지나면 달은 결국 지구의 궤도에서 벗어나게 되고, 지구의 자전도 상당히 느려지게 되는 결론에 도달할 수 있다.
달이 우리 지구로부터 멀어지게 된다면 화려한 우주쇼 중 하나인 개기일식이 더 이상 일어나지 않게 된다.
달이 멀어지면서 각 지름이 작아져 태양을 완전히 가리지 못하기 때문인데, 대신 금환일식이나 부분일식은 계속 발생하게 될 것이다.
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