참고문헌 : 성연욱, 구자옥, 이기영 「지구과학Ⅱ-3권(천체와 우주)」, 두산동아
두산백과사전-두피디아 (행성)
알랭 시루 · 레일라 아다,「지구와 우주」, 베텔스만, 2005년
천구 상에서 별들은 관측하는 장소와 시간이 같다면 항상 그자리에 있습니다. 하지만
간혹 보통의 별들과 다르게 움직이는 천체들이 있습니다. 이러한 천체들 중 하나를 행성(Planet)
이라 합니다.
1. 행성이란?
행성(Planet)은 항성(Star) 주위를 원 또는 타원궤도를 따라 공전하는 천체입니다. 행성의 영어명칭인
'Planet'의 유래는 그리스어로 '유랑하는 것'이라는 뜻인 'Planetai'라고 합니다. 글의 제목과 같이 나그네별이라고 할 수 있지요.
2. 행성의 기준
하지만 항성주위를 공전한다 해도 무조건 행성이 될 순 없습니다. 2006년 8월 국제천문연맹(IAU)에서 기존에 태양계의
행성이였던 명왕성을 비롯한 명왕성 밖에 있는 1)카이퍼 벨트대의 천체들을 모두 왜소행성으로 분류하게 됩니다. 이때
IAU에서 정한 왜소행성의 기준은 다음과 같습니다.
1. 태양을 중심으로 공전 궤도를 갖는다.
2. 원형의 형태를 유지하고 자체 중력을 가질 수 있을만한 충분한 질량을 갖는다.
3. 궤도 주변의 다른 천체들을 끌어들이지 못한다.
4. 다른 행성의 위성이 아니다.
따라서 지금 명왕성은 행성이 아닌 왜소행성'134340 pluto'로 불리고 있습니다.
3. 행성의 분류
행성은 행성을 구성하는 물질의 종류에 따라 지구형 행성과 목성형 행성으로 나눌 수 있으며 태양계의 행성의 경우
공전궤도가 지구보다 안쪽 또는 바깥쪽에 있느냐에 따라 내행성과 외행성으로 분류할 수 있습니다.
3-1. 구성물질에 따른 분류
1) 지구형 행성
왼쪽 순으로 수성, 금성, 지구, 화성입니다.
(사진출처 : http://astro.kasi.re.kr/main/ContentViewForm.aspx?MenuID=1244)
지구형 행성은 지구와 같이 주로 암석으로 이루어진 행성입니다. 암석으로 이루어진 표면(지각)을 가지며
목성형 행성보다 크기와 질량은 작지만 암석으로 이루어져있기 때문에 지구형 행성의 평균 밀도는
목성형 행성보다 더 큰 값을 가집니다. 자전속도는 목성형 행성보다 더 느리며 따라서 목성형 행성보다 2)편평도가 작습니다.
태양계의 지구형 행성 모두 화산활동의 흔적을 찾아볼 수 있고 특히 충돌체로 인해 형성된 크레이터를 확인할 수 있습니다.
2) 목성형 행성
왼쪽 순으로 목성, 토성, 천왕성, 해왕성입니다.
(사진출처 : http://astro.kasi.re.kr/main/ContentViewForm.aspx?MenuID=1244)
목성형 행성은 지구형 행성과 달리 가스로 이루어진 행성입니다. 목성형 행성의 대기는 수소, 헬륨,
메탄, 암모니아 같이 가벼운 휘발성 기체들로 이루어져 있습니다. 질량과 크기는 지구형 행성에 비해
매우 크지만 평균밀도는 지구형 행성보다 작습니다. 자전속도는 지구형 행성보다 빠르기 때문에
편평도가 크며 빠른 자전속도로 인해 회전하는 대기층을 쉽게 관측할 수 있습니다. 또 얼음과 암석으로
구성된 고리를 갖고 있습니다.
3-2. 공전궤도에 따른 분류
1) 내행성
내행성은 지구의 공전궤도보다 안쪽에서 공전을 하는 행성이며 내행성에는 수성과 금성이 있습니다.
지구와 달리 내행성은 위성이 존재하지 않습니다.
2) 외행성
외행성은 지구의 공전궤도보다 바깥쪽에서 공전을 하는 행성입니다. 화성, 목성, 토성, 천왕성 그리고 해왕성이
외행성에 속하며 내행성과 달리 하나 이상의 위성을 갖고 있습니다.
4. 천구상에서 행성의 운동
행성의 운동은 공전궤도의 위치에 따라 다른 양상을 보입니다. 내행성의 경우 지구보다 안쪽에서 공전을 하기 때문에
한밤중에는 볼 수 없고 반대로 외행성의 경우 지구보다 바깥쪽에서 공전을 하기 때문에 한밤중에도 관측할 수 있습니다.
4-1. 내행성의 운동
내행성의 경우 지구보다 안쪽 궤도를 따라 공전하여 공전 궤도 반경이 작아 해질녘 무렵 또는 동이 틀 무렵 밖에 관측하지 못하고 관측가능한 시간도 외행성에 비해 짧습니다. 이를 이해하기 위해서는 '이각'이라는 개념을 알아야 합니다. '이각(elongation)'은 지구를 기준으로 태양과 내행성이 이루는 각이며 이때 가장 큰 각을 '최대이각'이라고 합니다. 내행성이 최대 이각에 있을 때
천구상에서 태양과 가장 멀리 떨어져 보이므로 가장 오랫동안 관측할 수 있습니다. 금성의 최대이각은 약 48도이며 일몰 직후 또는 일출 직전 3시간 정도 관측할 수 있습니다. 수성의 최대이각은 이보다 작은 약 28도이기 때문에 관측 가능 시간이 매우 짧습니다.
사진에서 최대이각을 확인할 수 있습니다. 태양과 지구, 그리고
행성이 나란하게 정렬되는 것을 '합'이라고 합니다. 내행성이 태양의
반대편에 있을 경우 외합, 내행성이 태양을 등지고 있을 경우 내합이라
합니다. 외합일 경우 태양빛에 가려 내행성을 관측할 수 없고 반대로
내합일 때는 내행성에서 반사되는 빛이 지구에 도달하지 못하기 때문에 내행성을 관측할 수 없습니다.
내행성은 반시계 방향에 따라 동방 최대 이각-내합-서방 최대 이각-외합 순으로 공전합니다.
서방 최대 이각 -> 외합 -> 동방 최대 이각 순으로 공전 할 때의 운동을 순행이라고 합니다. 이때 내행성의 겉보기 운동 방향은 태양을 기준으로 서쪽->동쪽이며 적경은 증가합니다.
반대로 동방 최대 이각 -> 내합 -> 서방 최대 이각 순으로 공전 할 때의 운동은 역행이라고 하며 이때 내행성의 겉보기 운동 방향은 태양을 기준으로 동쪽 -> 서쪽이며 적경은 감소합니다.
내행성은 태양과 지구사이에 위치해있기 때문에
위치에 따라 계속 위상이 변화합니다. 최대이각에
위치한 경우 금성의 위상은 초승달 모양입니다.
내행성이 동방 최대 이각에 위치할 경우 오른쪽의 사진처럼 초저녁에 관측할 수 있습니다.
반대로 내행성이 서방 최대 이각에 위치할 경우
동이 트기 전 새벽녘에 관측 할 수 있습니다.
옛날 우리나라에서 금성의 경우 초저녁에 뜰 때는 '개밥바라기별', 새벽녘에 뜰 때는 '샛별'이라고 불렀답니다.
(사진출처 : http://classroom.re.kr/)
4-2. 외행성의 운동
외행성은 내행성과 달리 지구의 공전 궤도 바깥쪽에서 지구보다 큰 공전궤도를 따라 공전하기 때문에 한밤중에도
관측할 수 있습니다. 외행성과 태양, 그리고 지구가 나란히 놓인 경우를 경우에 따라 '합', 또는 '충'이라고 합니다.
'합'은 내행성의 외합과 같이 외행성이 태양 반대편에 놓였을 때를 말하며 관측이 불가능 합니다. '충'은 내합과 달리
지구가 태양을 등지고 있을 경우이며 이때 외행성은 자정에 3)남중합니다. 지구를 기준으로 태양과 외행성이 이루는
각이 직각일 때를 '구'라고 하며 동쪽에 있을 경우 '동구', 서쪽에 있을 경우 '서구'라고 부릅니다. 동구 때는 외행성이
저녁에 남중하며 서구 때는 새벽에 남중합니다.
겉보기에는 외행성이 역행하는 것처럼 보이는 것입니다.
오른쪽 그림은 천구상에서 외행성 중 하나인 화성의
움직임을 나타낸 것입니다. 4)황도를 따라서 화성은
서->동쪽으로 순행합니다. 그러다 화성의 겉보기 운동이
역행으로 전환되기 전 천구상에서 한 곳에 머물 때가 있는데 이를 '유'라고 합니다. 그후 화성은 동->서쪽으로 역행하고 다시 한차례 유를 거친 뒤 다시 순행합니다.
5. 케플러의 법칙
17세기 초 독일의 천문학자 '요한네스 케플러(Johannes Kepler)'는 그때 당시 천체관측기록으로 명성이 자자했던 '티코 브라헤(Tycho Brahe)'의 관측기록을 바탕으로 행성의 운동을 연구하게 됩니다. 당시 천문학자들은 행성들이 완전한 원 궤도를 따라
공전한다고 생각했으나 원 궤도로는 도저히 설명할 수 없는 관측기록들이 나타나게 됩니다. 따라서 케플러는 화성의 궤도를
분석하여 행성의 공전 궤도는 타원이라는 것을 알아내고 행성의 운동법칙을 발견하게 됩니다.
1)케플러 제 1법칙 : 타원 궤도의 법칙
케플러는 티코 브라헤의 화성 관측기록을 분석한 결과 행성의 공전 궤도는 타원이라는 것을 밝혀냅니다.
행성은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원 궤도에서 공전하며 행성이 태양과 가장 가까운 점을 '근일점(perihelion)',
태양과 가장 먼 점을 '원일점(aphelion)'이라고 합니다.
행성의 타원 궤도가 얼마나 납작한 가를 '이심률'이라고 하는데
타원 궤도의 긴 반지름을 'a', 짧은 반지름을 'b'라고 하면 이심률 'e'는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
e는 0~1의 값을 가지며 e=0이면 완전한 원궤도, e=1이면 직선이 됩니다.
2)케플러 제 2법칙 : 면적속도 일정의 법칙
태양을 하나의 초점으로 하는 타원궤도를 공전하는 행성은 같은 시간에 동일한 면적을 휩쓸고 지나갑니다.
이때 휩쓸고 지나간 면적 S는 태양에서 행성까지의 거리 r과 행성의 공전속도 v의 곱으로 나타낼 수 있습니다.
즉, S = rv
입니다. 행성이 근일점에 가까워 질 수록 r의 크기는 줄어들고 공전속도 v는 증가하게 되며
반대로 원일점에 가까워질 수록 r의 크기는 증가하고 공전속도 v는 감소하게 됩니다.
결국 면적 S의 값은 일정한 값 k를 갖는다는 것을 알 수 있습니다.
3)케플러 제 3법칙 : 조화의 법칙
조화의 법칙은 타원궤도를 공전하는 행성의 공전주기의 제곱은 그 행성 궤도의 긴 반지름의 세제곱에 비례함을 의미합니다.
즉 행성 궤도의 장반경을 R, 공전주기를 P라고 하면
R^2/P^3 = k(일정) 의 식을 만족하게 됩니다.
공전궤도 장반경의 단위를 3)AU(Astronomical unit), 공전주기 단위를 '년'으로 하게 되면 지구의 k값은 1이 됩니다.
이를 기준으로 다른 행성의 공전주기를 알면 그 행성의 공전궤도 장반경을 알 수 있고 반대로 공전궤도 장반경을 알면
그 행성의 공전주기를 알 수 있습니다.
다음은 우리가 살고 있는 태양계에 대해서 알려드리겠습니다. 감사합니다.
1)카이퍼 벨트 : 해왕성 궤도의 바깥쪽에 있는 소천체를 통틀어 일컫는 말.
2)편평도 : 자전에 의해 천체가 얼마나 타원에 가까운지 나타내는 척도. 편평도 = 1-(극반지름/적도반지름)
3)AU(Astronomical unit) : 지구와 태양 간의 평균거리. 1AU = 1.496 x 10^7 km
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