수성(水星, Mercury)
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수성(水星, Mercury)
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[임성빈 교수의 ‘빛의 환타지아’]

수성(水星, Mercury)

-영어의 머큐리(Mercury)는 로마신화(神話,mythology)의 메르쿠리우스(Mercurius)로서 그리스신화의 헤르메스(Hermes)에 해당하며 상업(商業)과 상인(商人)을 수호하는 신(神) 이다-

▲ 수성 (mariner10 촬영) (www.nasa.gov) ⓒ뉴스타운

태양에서 가장 가까워 육안으로 보기에는 쉽지 않은 수성은 태양계에서 가장 작은 행성이며 궤도이심율(軌道離心率, orbital eccentricity:행성 공전궤도의 일그러진 정도임)이 가장 커 원일점(遠日點, aphelion:행성이 궤도상에서 태양과 가장 멀어지는 점) 때가 0.47AU, 근일점(近日點, perihelion:행성이 궤도상에서 태양과 가장 가까워지는 점) 때가 0.31AU, 평균 0.39AU로서 원일점 때가 근일점 때의 1.5배나 된다. 지름은 지구의 약 38%인 4,880km이고 질량은 지구의 약 5.5%이나 밀도는 거의 비슷하다. 자전축은 0.1° 밖에 기울어져 있지 않은데 자전주기는 약 59일이고 공전주기는 약 88일이다. 그리고 수성의 하루는 176일로서 88일이 낮인데다가 태양에서 가까워 낮에는 온도가 340℃ 이상까지 올라가고 88일 동안인 밤에는 -120℃ 이하로 떨어진다. 수성은 질량이 작아 인력이 약하기 때문에 공기를 붙잡아 둘 수 없어 대기가 아주 희박해서 지구의 1/1,000밖에 안되며 물도 없고 위성도 없다. 또 표면에는 달처럼 크고 작은 많은 크레이터(crater, 운석 충돌 구덩이)들을 가지고 있다. 수성의 중심부는 지름의 3/4 이상이 철로 된 핵이며 그 바깥부분을 밀도가 낮은 암석물질인 맨틀(mantle)이 둘러싸고 있다.

금성(金星, Venus)

- 영어의 뷔너스(Venus)는 로마신화의 베누스로서 그리스신화의 아프로디테(Aphrodite)에 해당하며 사랑과 미(美)의 여신(女神)이다. -

▲ 금성 (www.stsci.edu) ⓒ뉴스타운

지구에서 가장 가깝고 초저녁의 서쪽 하늘이나 새벽녘의 동쪽 하늘에서 가장 밝게 빛나는 별로서 예부터 개밥바라기(초저녁) 또는 샛별(새벽)이라고 부르던 금성은 태양으로부터 두 번째로 가까운 행성으로서 태양으로부터의 거리는 0.72AU이다. 지름은 지구보다 약간 작은 12,104km이고 질량은 지구의 0.82배이며 밀도도 약간 작지만 거의 비슷하다. 자전축이 177° 기울어져 있어 지구와는 반대방향으로 자전을 하며 자전주기는 243일로서 공전주기인 225일보다도 오히려 더 길다. 금성의 하루는 117일로서 낮과 밤이 각각 약 59일씩이다. 금성은 원시대기인 이산화탄소를 아직도 대기로 그대로 가지고 있고 그 양은 지구보다 약 95배 많아 대기압도 지구보다 95배 정도 크다. 그리고 대기의 상층부에는 약 20km 두께의 두꺼운 구름층이 존재한다. 이와 같은 두꺼운 구름층과 이산화탄소의 온실효과(溫室效果, greenhouse effect:햇빛을 받아 더워진 지면이 발산하는 열을 공기 중의 이산화탄소나 수증기가 흡수하였다가 다시 방출하여 지면의 온도가 더욱 높아지는 현상을 말함) 때문에 금성 표면의 온도는 낮이나 밤이나 400℃ 이상이다. 또 높은 온도 때문에 물이 없어 지표면은 건조하고 약하다. 그래서 지하의 용암이 쉽게 분출하여 반구형의 화산(火山, volcano)을 만들며 또 지면이 뜨거워 용암이 쉽게 식지 않기 때문에 수백km씩 흘러가기도 한다. 금성 역시 많은 크레이터를 가지고 있으며 위성은 없다.

지구(地球, Earth)

-지구를 상징하는 대지(大地)의 여신은 로마신화에서는 텔루스(Tellus)이며 그리스 신화에서는 가이아(Gaia/Gaea)이다-

▲ 지구 ⓒ뉴스타운

지구는 태양과 세 번째로 가까우며 태양계 내에서 생명체(生命體, living things)를 가진 유일한 행성으로서 태양까지의 평균거리는 약 1억 5천만km이고 지름은 12,756km이다. 자전축은 23.5° 기울어져 있는데 고정되어 있는 것이 아니라 회전하는 팽이의 축이 천천히 회전하듯이 25,800년을 주기(항성에 대한 주기이며 공전면에 대해서는 21,000년임)로 세차운동(歲差運動, precessional motion)을 하며 자전주기는 24시간이고 공전주기는 365.26일이다. 지구의 가장 안쪽에 있는 내핵은 지표면으로부터 깊이 5,100km, 반경 1,270km인 부분으로서 압력이 높아 철과 니켈이 고체상태로 존재한다. 내핵 바깥층인 외핵은 지표로부터 깊이 2,900km까지로서 온도가 약 4,000℃에 달해 철과 니켈이 녹아있는 상태이다. 외핵의 바깥쪽에는 깊이 670km까지 하부맨틀이 자리하고 있는데 규산염광물이나 산화 광물이 주성분이며 그 바깥쪽의 상부맨틀은 철과 마그네슘이 풍부한 암석이 주성분으로서 이들 맨틀 층이 부피로는 지구의 82% 이상, 질량으로는 68% 정도를 차지하고 있다.

맨틀의 바깥쪽인 지구의 겉껍질부분을 지각(地殼, lithosphere)이라고 하는데 두께는 10~35km로서 바다가 있는 부분은 얇고 높은 산이 있는 곳은 훨씬 두껍다. 지구표면의 71%를 바다가 차지하고 있으며 이 속에 지구가 가진 물의 97%가 들어있다. 바다의 평균깊이는 3.8km이고 가장 깊은 곳은 11km도 넘으며 바닷물은 3.5%의 소금분과 그 외에 다양한 광물질을 가지고 있다. 지각의 가장 바깥부분인 지표면은 두꺼운 대기로 덮여 있는데 그 성분은 질소 78%, 산소 21%, 아르곤 0.9%, 이산화탄소 0.03% 그리고 미량의 네온, 헬륨, 오존 등으로 되어 있다. 이와 같은 대기로 인하여 지구상의 생물들이 숨을 쉴 수 있을 뿐만 아니라 태양의 복사에너지가 지구 밖으로 빠져나가는 것을 막아주어 생물들이 살아갈 수 있게 해 준다. 대기의 가장 아래쪽이 대류권(對流圈, troposphere)인데 두께는 위도나 계절에 따라 다르지만 10~15km 정도이고 이곳에서는 공기의 대류가 활발하게 일어난다. 지구의 표면에서는 대류활동으로 바람이 불어 흐르는 물이나 지구의 내부 활동인 지진 및 화산활동 등과 더불어 지구의 모습을 끊임없이 바꿔왔다.

대류권 위로 지표면에서 50~60km 높이까지가 성층권(成層圈, stratosphere)인데 이곳에서는 공기의 흐름이 별로 활발하지 않다. 성층권 중 지표면에서 높이가 20~25km 정도인 곳에는 대기 중의 산소분자가 파장이 짧은 태양자외선을 흡수하여 분해함으로서 만들어진 오존이 층을 이루고 있고 이 오존층(層, ozone shield/ozonosphere)이 인체나 생물들에게 해로운 자외선(紫外線, ultraviolet rays)을 흡수함으로서 지구의 생태계가 유지되는데 크게 기여하고 있다. 성층권의 바깥쪽은 대기의 농도가 희박하고 태양으로부터 오는 전자파가 산소 등의 분자나 원자와 충돌하여 이온화시킴으로서 이들 이온과 전자가 플라즈마 상태로 존재하는 전리층(電離層 또는 이온층, ionosphere)으로서 이 역시 태양풍의 차폐막 역할을 함으로서 지구의 생태계가 유지되는데 크게 기여하고 있다.

▲ 대기권 ⓒ뉴스타운

지구는 또 그 자체가 하나의 커다란 자석으로서 이를 지(구)자기(地(球)磁氣, terrestrial magnetism)라고 하며 지(구)자기가 영향을 미치는 영역을 지(구)자기장(地(球)磁氣場, terrestrial magnetic field)이라고 한다. 지자기장은 대체로 남북방향으로 향해있으나 지자기의 북극은 지리적인 북극에서 약 1,800km정도 떨어진 캐나다 북부의 허드슨(Hudson) 만 근처에 있으며 지자기의 세기는 지역과 고도에 따라 차이가 있다. 지자기장 역시 태양풍의 플라즈마와 우주선을 붙잡아 밴앨런복사대(-輻射帶, Van Allen radiation belt)를 만듦으로서 태양풍과 우주선으로부터 지구상의 생명체를 보호해주는 역할을 하고 있다. 지자기장의 방향은 항상 일정한 것이 아니라 조금씩 변하며 지난 5백만 년 동안 20번 이상 극이 바뀌었는데 자기장의 배열이 현재와 같은 시기를 정자극기(正磁極期, normal polarity) 반대였던 시기를 역자극기(逆磁極期, reverse polarity)라고 한다.

지구의 위성인 달(moon)은 태양계가 형성되던 초기에 화성 크기의 또 다른 원시행성이 모습을 거의 갖추어가던 지구와 충돌하여 무수한 파편들을 우주로 날려 보내면서 무거운 원소들은 지구에 흡수당하고 나머지 파편들이 중력에 의해 모아지면서 형성되었다. 이렇게 만들어진 달은 지구 주위를 도는 파편들을 끌어 모으면서 빠르게 성장을 거듭해 일 년 정도 만에 오늘날의 모습을 갖추게 되었고 지구에게는 매우 좋은 선물이 되었다.

▲ 지구와 원시행성의 충돌(달이 만들어짐) 돈 딕슨 그림 ⓒ뉴스타운

 

▲ 지구와 달 (www.nasa.gov) ⓒ뉴스타운

달의 지름은 지구의 1/4보다 약간 큰 3,476km이고 질량은 지구의 약 1.2%이며 밀도는 지구의 60% 정도이다. 달의 공전주기(항성주기/恒星週期, sidereal revolution:무한히 먼 지점을 기준으로 한 공전주기를 항성주기라고 하며 태양을 기준으로 달이 지구를 한번 도는 주기를 회합주기 또는 삭망주기라고 함)와 자전주기는 27.3일로서 정확하게 일치하기 때문에 지구에서는 늘 달의 한쪽 면밖에 볼 수가 없다. 이와 같이 공전과 자전주기가 같은 운동을 동조화(同調化)운동이라고 하며 두 천체 사이에서 일어날 수 있는 가장 에너지가 적게 들면서도 가장 안정된 운동이다. 그러나 달의 삭망주기(朔望週期, synodic period)는 29.5일이어서 이것이 음력의 기준이 된다. 달에는 공기도 물도 없고 낮과 밤의 길이가 굉장히 길기 때문에 기온이 낮에는 100℃ 이상으로 올라가고 밤에는 -150℃ 이하로 내려간다. 그리고 표면에는 많은 크레이터들을 가지고 있다.

▲ 지구의 달 (www.stsci.edu) ⓒ뉴스타운

지구에는 그 외에도 2개 이상의 위성이 있다. 두 번째 달은 지름이 5km인 크루인야(또는 크뤼트네, Cruithne)로서 지구 궤도 가까이서 돌던 소행성이 지구의 중력에 붙잡혀 지구를 수평으로 돌고 있는 것이다. 그러나 크루인야가 지구를 도는 공전주기는 385년이나 되며 또 지구를 공전하는 동시에 지구와 같은 공전주기로 태양을 공전하기 때문에 정상적인 위성들과 구분하기 위하여 준달(또는 준위성/準衛星, quasi-satellite)이라고 한다. 그 외에 지구를 수직으로 공전하는 달도 있다.

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