지구 세차운동의 방향

세차 운동은 어떤 물체가 회전하고 있을 때, 물체 뿐만 아니라 회전축 자체가 도는 것을 말한다. 예를 들면, 팽이가 회전할 때 축이 기울어져도 바로 넘어지지 않고, 일정시간 기울어진 채로 축 자체가 움직이는 모습을 볼 수 있는데, 이것이 세차운동이다. 아래 그림을 보면 쉽게 이해가 될 것이다.

출처: http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%84%B8%EC%B0%A8_%EC%9A%B4%EB%8F%99

지구 역시 회전, 곧 자전을 하고 있기 때문에 자전축이 세차운동을 하고 있을 것이라고 예상이 가능하며, 이것은 사실이다. 이에, 지구 세차운동의 원인이 무엇이고, 그 방향은 어떻게 결정되는지 알아보자.

지구 세차운동의 원인에는 일월세차(해 달 때문에 생기는 세차) 또는 행성세차(행성 때문에 생기는 세차) 따위가 있는데, 그 중에서 주요한 원인은 일월세차이며, 그 중에서도 해가 핵심 원인이다.

알다시피, 지구는 양 극 사이보다 적도의 길이가 더 긴 타원형이다. 적도 부분이 부풀어 있는 까닭은 지구 자전 때문이다. 그리고 지구 적도면은 공전 궤도면에 대해 23.5 도 기울어져 있다. 바로 이것 때문에 해에 따른 세차 운동이 발생한다. 더 자세히 알아보자.

지구는 지구의 북극 상공에서 내려다 봤을 때, 반시계 방향으로 자전하고 있다. 이 때 돌림힘(토크)의 방향은 지구 북극 방향이 된다. 돌림힘이란 어떤 물체를 회전시키는 힘을 말하며, 이 힘의 방향은 앙페르의 오른손 법칙을 이용하면 쉽게 알 수 있다. 다시 말해서 회전 방향을 손가락으로 가리킨 후 손을 말아쥐고, 엄지를 세웠을 때, 엄지가 가리키는 방향이 돌림힘의 방향이다. 그리고 이 방향은 회전축과 항상 나란하다. 하지만 같다는 뜻은 아니니 조심하자. 지구의 자전 방향대로 손을 말아쥐면 지구 북극 방향과 엄지의 방향이 일치함을 확인할 수 있다.

다음 그림을 보자.

 

그림에서는 잘 나타나지 않았지만(ㅠㅠ), 지구는 적도 방향이 자전축 방향보다 조금 더 긴 타원형이다. 이 때 해에 가까운 적도 부분은 공전궤도면 아래쪽으로 내려가 있고, 반대편은 올라가 있다. 그런데 해가 아래쪽으로 내려가 있는 적도 부분을 잡아당김으로써 지구 적도를 공전 궤도면에 가까워지게 하는 효과가 나타난다. 반대쪽도 마찬가지로 해가 잡아당겨, 공전궤도면으로부터 멀어지게 하는 효과가 있지만, 해로부터 거리가 멀기 때문에 효과가 사라진다. 따라서 자전축을 중심으로 하는 회전 외에, 화면에 수직인 방향을 중심으로 하는 회전이 나타나게 된다. 앞서 말한 오른손 법칙을 이용하면, 이 때 작용하는 돌림힘의 방향은 화면을 뚫고 나오는 방향이 된다. 따라서 이 돌림힘과 자전을 일으키는 돌림힘(지구 북극 방향)을 합성하면 지구 자전축의 방향은 지구 북극 상공에서 내려다 봤을 때, 시계방향으로 움직이게 된다. 결국, 지구 자전축은 시계 방향으로 회전하는 세차운동을 한다.

지구가 반대 방향(시계 방향)으로 자전한다면 어떻게 될까 ? 이 때에는 자전축에 나란한 돌림힘의 방향은 위 그림에서 자전축 아래쪽을 향한다. 하지만 지구의 모양에는 변화가 없으므로 해 때문에 생기는 돌림힘의 방향은 여전히 화면을 뚫고 나오는 방향이다. 따라서 이 때 세차운동의 방향은 반시계 방향이 된다.

결과적으로 지구 자전 방향과 지구 세차 운동 방향은 서로 반대가 된다.

이를 팽이에 적용해 보자.

팽이가 위에서 내려다 봤을 때, 반시계 방향으로 회전하고 있다고 하자. 이 때 팽이에 작용하는 힘은 중력이다. 곧 땅에 닿아 있는 부분을 중심으로 팽이를 무너뜨리는 방향으로 힘이 작용한다. 이 경우에는 정면에서 봤을 때 반시계 방향이 되고, 돌림힘의 방향은 화면을 뚫고 나오는 방향이 된다. 그런데 팽이가 반시계 방향으로 회전하고 있으므로, 회전축에 나란한 돌림힘의 방향은 위쪽이다. 따라서 팽이 세차 운동 방향은 위에서 내려다 봤을 때 반시계 방향이 된다.

팽이가 반대 방향(시계 방향)으로 회전하는 경우에는 돌림힘의 방향이 아래쪽, 곧 땅에 닿아 있는 방향이고, 중력에 따른 돌림힘의 방향은 변화가 없으므로, 팽이의 세차운동 방향은 위에서 내려다 보았을 때 시계 방향으로 움직인다.

결국 팽이의 경우, 팽이의 회전 방향과 세차운동 방향은 서로 일치한다.