서론

지구와 달. 모두에게 익숙한 이름일 것이다. 지구는 태양에서 4번째로 가까운 행성으로 현재까지 알려진 바로는 유일하게 생명이 존재하는 행성이다. 당연하게도 행성들 중에서 가장 많이 연구되었으며, 행성 연구의 표준으로서 기능한다. 지구는 인류가 살아가는 공간이기에 천문학 뿐만 아니라 거의 모든 과학 분야에서 중요한 의미를 가진 천체이다. 사실 지구와 달에 대해서는 이야기 할 것이 너무 많다. 하지만 이 글은 태양계 시리즈에 속해있고 천문학 글이기 때문에 천문학적으로 중요한 사실들만 다루도록 하겠다.

지구

지구에 대해서는 많은 독자들이 잘 알고 있을 것이라고 생각한다. 그리고 지구 자체를 연구하는 것은 지구과학의 영역이라 설명하고자 하는 천문학적 내용과는 거리가 있다. 그래서 지구에 대한 내용은 간략하게만 집고 넘어가도록 하겠다.

지구의 질량은 약 \(5.97\times10^{24}\mathrm{kg}\), 평균 반지름은 약 6371 km이며, 평균 밀도는 약 \(5.513\times10^{3}\mathrm{kg/m³}\)다. 지구는 태양을 1년(365.256일) 동안 공전하고, 자전축은 궤도면에 대해 약 \(23.4^\circ\) 기울어져 있다. 이 자전축은 약 2만6천 년 주기로 세차운동 한다. 현재 지구의 자전주기는 항성 기준(항성일)으로 약 23.93시간(태양 기준 하루(태양일)는 24시간)이다.

지구 내부에는 주로 철과 니켈로 이루어진 핵이 있고, 그 위로 규산염 맨틀과 얇은 지각이 존재한다. 핵은 외핵과 내핵으로 이루어져 있는데, 외핵은 액체상태로, 다이나모 이론에 따라 자기장을 형성한다. 지표에서 자기장은 \(25-65\mathrm{\mu T}\) 수준이다.

지구의 대기는 여러 층(대류권, 성층권, 중간권, 열권)으로 구성되며, 질소와 산소를 주성분으로 한다. 태양광이 대기에 의해 산란되여 낮에는 하늘이 파랗게 보인다. 대기는 별빛을 산란하고 굴절시켜 지상 관측에 약간의 한계를 부여한다.

달

달의 표면

위에 있는 달 표면의 사진을 보자. 이 사진을 보면 어떤 생각이 드는가? 우리 조상들은 달의 표면을 보고 절구 찧는 토끼가 달에 산다고 생각했고, 세계 곳곳에는 달의 무늬에 대한 다양한 설화가 있다. 이러한 상상이 가능한 이유는 달의 표면에는 밝은 부분과 어두운 부분이 있기 때문이다.

달의 밝은 부분은 고지대(highlands), 어두운 부분은 저지대(lowlands) 또는 바다(maria)라고 한다. 고지대는 달 표면의 대부분을 차지하며 주로 사장암으로 이루어져 있다. 특히, 달의 뒷면은 대부분 고지대로 이루어져 있어 우리가 보는 달의 앞면과는 사뭇 다르다.

달에는 풍부한 물이 존재하지 않기 때문에 당연하게도 달의 바다는 지구의 바다와는 전혀 다르다. 달의 바다는 주로 현무암으로 이루어진 평원이다. 달의 바다의 반지름은 300-1000 km 정도가 일반적이며, 30개가 알려져 있다. 앞서 언급 하였듯이, 달의 뒷면은 대부분 고지대로 바다가 거의 없는데 30개의 바다 중 단 4개가 뒷면에 위치한다.

운석 충돌의 흔적인 크레이터(crater)는 바다보다 고지대에 더 밀집되어 있다. 이는 바다의 표면 나이가 고지대보다 더 어리다는 것을 시사한다. 실제로 방사성 연대 측정법으로 측정한 표면 나이는 바다가 고지대보다 적다.

고지대와 바다를 구성하는 암석에 주목할 필요성이 있다. 바다를 구성하는 현무암은 용암이 빠르게 냉각될 때 형성되며 고지대를 구성하는 사장암은 현무암의 생성 과정보다 더 느리게 용암이 냉각되면서 만들어진다. 이러한 사실은 바다와 고지대의 암석들은 용암이 서로 다른 조건에서 서로 다른 속도로 냉각하여 형성되었다는 것을 시사한다.

달의 내부 구조

달의 지진(월진, moonquakes)의 지진파 분석과 중력추정 등을 통하여 달의 내부구조를 알 수 있다. 우선 지각을 보자. 달의 지각의 평균 두께는 약 50km이며, 흥미롭게도 지구를 향한 앞면보다 뒷면이 더 두꺼운 비대칭적 구조를 하고 있다. 앞서 언급했듯이, 달의 앞면에는 바다가 많은데, 달 탐사선들은 바다 밑에서 질량집중(mascon)이라는 질량 밀집체를 발견했다. 질량집중은 거대한 현무암 판으로 바다를 만드는 거대한 운석의 충돌로부터 형성된 것으로 추정된다. 이 판의 존재로 인하여 달의 질량 중심은 기하학적 중심으로부터 약간 벗어나 있다고 알려져 있다. 이러한 특징들을 보면 달의 앞면과 뒷면의 지각은 매우 다른 특징을 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 이 현상의 이유에 대해서는 여러 의견이 있는데, 지구 중력의 영향이라는 설도 있고, 초기에 대충돌이 있었다는 설도 있다. 최근에는 달 표면 뿐만 아니라 달의 내부 물질의 온도도 앞면과 뒷면이 상이하다는 연구 결과가 제시되면서 내부 열원의 불균형이 지각의 특징에 영향을 주었다는 가설도 부상하고 있다.

멘틀은 지각 아래 1000km 정도까지 이어지며 주로 감람석, 휘석으로 이루어져 있다. 멘틀의 윗 부분은 단단한 암석권(lithosphere)이고, 멘틀 하부는 부분적으로 녹아있는 암류권(asthenosphere)인 것으로 추정된다. 대부분의 월진은 암석권과 암류권의 경계면에서 생긴다.

달의 핵은 300-400 km 수준으로 반지름의 20% 정도를 차지할 것으로 추정된다. 지구의 핵이 지구 반지름의 50% 가량을 차지한다는 점을 감안하면 꽤나 작은 크기라는 것을 알 수 있는데, 이는 달의 형성 과정과 관련이 있을 수 있다. 최신 연구와 월진 데이터 분석에 따르면, 달의 핵은 고체 상태인 내핵과 액체 상태인 외핵으로 나뉘어 있을 가능성이 크다. 과거 형성 초기에는 핵의 유체 운동을 통해 자기장을 형성했으나, 현재는 핵이 냉각되고 굳어지면서 전역적인 자기장은 사라진 것으로 추정된다. 다만 표면 일부 암석에서는 자기력의 잔재를 가지고 있어 달이 과거에 달 전체 규모 자기장을 가지고 있었다는 것을 뒷받침한다.

달의 운동

달의 운동에서 가장 두드러지는 특징은 자전 주기와 공전 주기가 약 27.3일로 일치한다는 점이다. 이를 동주기 자전(synchronous rotation) 또는 조석 고정(tidal locking)이라 부른다. 달이 지구 주위를 한 바퀴 도는 동안 스스로도 정확히 한 바퀴를 돌기 때문에, 지구에서는 항상 달의 같은 면(앞면)만을 보게 된다.

이 현상은 지구의 강력한 기조력이 달의 자전 속도에 브레이크 역할을 하면서 발생했다. 과거 자전 속도가 더 빨랐던 달은 지구 중력에 의해 회전 에너지를 잃으며 공전 주기와 자전 주기가 동기화되었다. (이러한 현상은 달 뿐만 아니라 상당수의 태양계 위성들에서도 관측된다.) 이로 인해 인류는 1959년 구소련의 루나 3호가 달 뒷면을 촬영하기 전까지 달의 뒷모습을 단 한 번도 직접 관찰하지 못했다.

항성월과 삭망월

달의 공전 주기는 기준점에 따라 두 가지로 정의된다. 첫 번째는 항성월 (sidereal month)이다. 항성월은 먼 별을 기준으로 달이 지구를 실제 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간으로, 약 27.32일이다. 이는 달의 실제 물리적 공전 주기이다. 두 번째는 삭망월 (synodic month)이다. 삭망월은 지구에서 보았을 때 달의 모양(위상)이 다시 제자리로 돌아오는 시간으로, 약 29.53일이 소요된다. 이는 지구를 향해 바라보는 위치의 주기라고 볼 수 있다. 다만, 29.53일은 평균 값으로 달은 타원궤도를 공전하기에 망 사이 간격은 29.3일-29.8일로 꽤나 유동적이다. 항성월보다 삭망월이 약 2.2일 더 긴 이유는 달이 공전하는 동안 지구 역시 태양 주위를 공전하기 때문이다. 달이 지구를 한 바퀴 돌아 제자리(항성 기준)에 왔을 때, 태양-지구-달의 상대적 위치는 지구가 이동한 만큼 어긋나게 된다. 따라서 달이 이전과 동일한 위상을 갖기 위해서는 약 $27^\circ$를 더 공전해야 하며, 이 과정에서 추가적인 시간이 소요된다.

달의 위상과 식현상

달이 스스로 발광하지 않고 태양의 빛을 반사하기에 밝아보인다는 것은 누구나 다 아는 사실일 것이다. 그런데, 달의 상대적인 위치에 따라서 지구에서 보았을 때 달이 밝은 부분이 다르게 보인다. 이를 달의 위상이라 한다. 달의 위상 변화는 삭에서 시작하여 초승달, 상현달, 보름달(또는 망), 하현달, 그믐달 순으로 변화하며 약 29.5일 주기로 반복된다.

달의 공전 궤도면(백도)은 지구의 공전 궤도면(황도)에 대해 약 $5.1^\circ$ 기울어져 있다. 이 두 궤도가 교차하는 지점에서 태양, 지구, 달이 일직선상에 놓일 때 비로소 식(eclipse) 현상이 일어난다. 달이 태양을 가리는 것을 일식(solar eclipse)라 하고, 지구의 그림자가 달을 가리는 것을 월식(lunar eclipse)라 한다. 즉 일식때는 일직선으로 태양-달-지구의 위치가 되고 월식 때는 태양-지구 달의 위치가 된다. 이렇게만 말 하면 달이 삭 위치에 있을 때는 항상 일식이 일어나고 망에 있을 때는 항상 월식이 일어나야 하지 않는가라는 의문이 들 수 있다. 하지만, 앞서 말했듯이 백도는 황도에 대해 기울어져 있기 때문에 매달 삭과 망의 위치에서 식이 일어나지는 않는다.

일식에는 크게 3가지 종류가 있다. 첫 번째는 개기일식(total solar eclipse)이다. 개기일식은 달의 본그림자(umbra)가 지표면에 닿는 지역에서 발생한다. 태양 전체가 달에 의해 완전히 가려지며, 평소에는 볼 수 없는 태양의 외곽 대기인 코로나(corona)를 관측할 수 있다. 두 번째는 부분일식(partial solar eclipse)이다. 부분일식은 달의 반그림자(penumbra)가 지표면에 닿는 지역에서 발생한다. 태양의 일부분만 가려진 상태로 관측된다. 세 번째는 금환일식(annular eclipse)이다. 금환일식은 달이 지구로부터 멀리 떨어져 있어, 달의 겉보기 크기가 태양보다 작을 때 발생한다. 태양의 테두리가 금반지 모양으로 남아 있는 모양이라고 하여 금환일식이라 부른다.

일식은 그리 자주 발생하지 않는 천문 현상이다. 부분일식은 상대적으로 자주 발생하지만 개기일식이나 금환일식은 일식이 일어나는 곳을 찾아가지 않는 이상 쉽게 관측할 수 없다.(필자도 부분일식만 관측한 경험이 있다.) 한반도에서 가장 가까운 미래에 일어나는 개기일식은 2035년 9월 2일에, 금환일식은 2041년 10월 25일에 발생할 예정이다. 이 때 놓치면 수십년간 다시 오지 않으니 꼭 관측해보도록 하자.

월식은 지구가 태양과 달 사이에 위치하여 달이 지구의 그림자 속으로 들어갈 때 발생한다. 월식은 달의 위상이 망일 때만 일어나며, 일식과 달리 밤인 지역이라면 지구 어디에서나 동시에 관측할 수 있다는 특징이 있다. 월식도 3가지 종류가 있다. 첫 번째는 개기월식(total lunar eclipse)이다. 개기월식은 달 전체가 지구의 본그림자 속에 완전히 들어가는 것이다. 이때 달은 완전히 사라지지 않고 검붉은색을 띠는데, 이를 블러드 문(blood moon)이라고 부르는 경우도 있다. 이러한 현상이 일어나는 원인은 월식 때에 지구 대기를 통과한 태양 광선 중 파장이 길어 대기를 잘 통과하는 붉은 빛만이 달 표면에 도달하기 때문이다. 두 번째는 부분원식이다. 부분월식은 달의 일부분만이 지구의 본그림자 속에 들어갈 때 발생하며, 달의 일부분만 가려져서 보인다. 세 번째로는 반영월식(penumbral lunar eclipse)가 있다. 반영월식은 달이 지구의 반그림자에 들어가는 현상으로, 달의 밝기가 약간 어두워지는 것 뿐이라 육안으로 쉽게 알아차리기 어렵다.

달의 역사

달은 어떻게 형성되었을까? 이 질문에 대해 천문학자들이 오랫동안 답하려고 노력했다. 포획설, 분리설, 동시 생성설 등 다양한 가설이 제기되기도 했다. 그러나, 현재 천문학계에서 가장 널리 받아들여지는 이론은 거대 충돌 가설(Giant Impact Hypothesis)이다.

이 가설은 과거에 테이아(Theia)라고 하는 고대 행성이 지구와 충돌하며 파편들(주로 지구의 지각, 멘틀 성분)이 우주로 방출되었고, 이 파편들이 뭉쳐 달이 형성되었다는 것이다. 이 가설은 달의 암석 성분이 지구의 맨틀과 매우 유사하다는 점, 달에 철과 같은 무거운 원소의 함량이 상대적으로 적다는 점, 그리고 달의 핵이 상대적으로 작은 점 등을 잘 설명한다.

달 탐사

달은 인류가 우주 탐사를 시작할 때 처음 발을 디디고 싶어하였던 천체이며, 오랫동안 탐사, 경쟁의 대상이었다. 또한, 달 탐사는 현재까지 인류가 지구 이외의 천체에 발을 내디딘 유일한 천체이기도 하다. 냉전 시대의 경쟁에서 시작된 달 탐사는 현재 자원 확보와 심우주 탐사를 위한 전초기지 건설이라는 실용적인 목표로 진화하고 있다.

냉전시대 우주 경쟁

달 탐사의 서막은 1950년대 후반 소련과 미국에 의해 열렸다. 소련의 루나(Luna) 계획은 인류 최초로 달 뒷면을 촬영하고(루나 3호), 최초의 무인 연착륙(루나 9호)에 성공하며 초반 기세를 잡았다.

이에 맞서 미국 NASA는 아폴로(Apollo) 계획을 추진하였다. 1969년 아폴로 11호의 닐 암스트롱과 버즈 올드린이 '고요의 바다'에 착륙하며 인류 최초로 달 표면을 밟는 역사적 이정표를 세웠다. 이 사건은 미국이 소련과의 우주 경쟁에서 승리하는 데 결정적인 기여를 했다. 아폴로 계획은 아폴로 11호부터 아폴로 17호 까지 총 6차례의 유인 착륙을 성공시켰으며(기기 이상으로 귀환했던 아폴로 13호 제외), 월석과 토양 샘플을 지구로 가져와 달의 성분과 형성 기원을 밝히는 데 기여를 했다.

아르테미스 계획

현재 인류는 단순한 방문을 넘어 달에 상주하기 위한 아르테미스(Artemis) 계획을 진행 중이다. 미국 NASA가 주도하고 한국을 포함한 여러 국가가 참여하는 이 프로젝트는 21세기 인류를 다시 달에 보내고, 달 궤도 우주정거장인 '루나 게이트웨이(Lunar Gateway)'를 건설하는 것을 목표로 한다.

과거 냉전 시대의 과시용 탐사와 달리, 아르테미스 계획은 달을 지속 가능한 기지를 건설하고 이를 바탕으로 화성 등 더 먼 우주로 나아가기 위한 전진기지를 확보하는 실용적인 목표를 가지고 있다. 뉴 스페이스 시기에 걸맞게 민간 기업인 스페이스X(SpaceX)와 블루 오리진(Blue Origin) 등도 이 과정에서 참여하며 과거의 우주 산업과는 확실히 다른 모습을 보여주고 있다.

한국의 달 탐사

대한민국 역시 2022년 첫 달 궤도선인 다누리(KPLO)를 성공적으로 발사하며 달 탐사 국가 대열에 합류했다. 다누리는 달 궤도를 돌며 달을 관측하고 있으며, 특히 NASA의 섀도캠(ShadowCam)을 탑재하여 아르테미스 계획의 잠재적 착륙 후보지를 탐색하고 있다.

한국의 첫 달 착륙선은 2032년 발사할 예정이다. 현재 개발 과정에 있는 한국형 중궤도 및 정지궤도 발사체(KSLV-III)를 통해 2030년 달 궤도선이, 2031년 착륙 검증선이 발사된 후 2032년에 최종적으로 과학 연구를 수행할 착륙선을 발사될 계획이다.

결론

지구는 단순히 인류가 거주하는 터전이라는 의미를 넘어, 우주 생물학과 행성 과학에서 독보적인 가치를 지닌다. 우리가 가장 쉽게 연구할 수 있는 행성이자 현재까지 알려진 유일한 생명체 거주 행성으로서 지구는 행성 연구의 표준이 된다. 즉, 우리는 지구를 이해함을 통하여 다른 행성들을 이해할 수 있다.

달 역시 지구 시스템에 큰 영향력을 미친다. 달은 역사적으로 지구의 자전 속도를 변화시키는 원인으로 작용했다. 또한, 달의 중력이 지구의 자전축을 $23.4^\circ$만큼 기울어진 상태로 유지시키기에 우리가 지금과 같은 안정한 기후를 누릴 수 있는 것이며 달의 중력에 의한 조수 간만의 차는 해안 생태계를 형성한다.

결국 지구-달 시스템은 고립된 두 천체의 만남이 아니라 서로 밀접하게 관련되어 서로의 환경에 지대한 영향을 끼치는 관계이다. 우리는 지구와 달을 연구하며 우주에 대한 이해를 확대하고, 인류의 미래에 대한 고찰과 설계를 할 수 있다. 또한, 인류가 추진 중인 새로운 달 탐사는 단순히 자원을 찾고 달에 거주하는 의미을 넘어, 더 먼 우주로 나아가고 궁극적으로는 다행성종족이 되려고 하는 인류의 지평을 넓히는 중대한 전환점이 될 것이다.

참고문헌

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