1. 지구의 자전
지구의 자전이란 지구가 자전축을 중심으로 하루에 한 번씩 서쪽에서 동쪽으로 도는 운동을 말한다. 지구가 자전하는 속도는 매우 빠르다. 적도 부근에서 약 1,674km/h이다. 이는 한 1시간에 15.04°씩 회전하는 것과 같다
우리가 알고 있는 것과는 다르게 지구 자전 주기는 하루 24시간이 아니다. 약 23시간 56분 4.091초이다. 왜냐하면 자전 한 바퀴와 하루를 혼용해서 쓰긴 하지만 정확히 말하자면 둘의 기준이 다르기 때문이다. 자전은 우주공간의 3차원 좌표에서 지구라는 공처럼 둥근 물체가 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이지만, 하루는 지표면의 한 지점에서 보기에 태양이 같은 위치에 오는 데 걸리는 시간인데, 지구는 자전과 동시에 공전도 하기에 자전 1회전 후에 공전이 진행된 만큼 약간 더 자전해야만 지표면을 기준으로 태양이 다시 같은 자리에 온다.
또한 지구의 자전주기는 100,000년마다 대략 1초 늘어나며, 그 결과 지구의 시간도 1초씩 짧아진다. 2011년 도호쿠 지방 대지진으로 인해 자전 속력이 아주 조금 빨라졌다.
(1) 지구 자전의 증거
지구 자전의 증거로는 인공위성의 서편 현상, 푸코 진자의 운동을 들 수 있다. 먼저, 인공위성은 지구를 돌며 일정한 방향으로 공전 운동을 하는데, 지구가 서쪽에서 동쪽으로 자전하기 때문에, 인공위성의 궤도가 서쪽으로 이동하는 것처럼 보이게 된다. 푸코는 진자의 진동 방향이 시계 방향으로 회전한다는 사실을 실험을 통해 밝혀 냈는데, 이 역시 지구 자전에 의한 결과이다.
(2) 지구의 자전에 의해 일어나는 현상
- 낮과 밤: 지구의 자전으로 낮과 밤이 매일 반복된다.
- 천체의 일주 운동: 태양은 매일 동쪽에서 떠서 서쪽으로 진다. 별은 북극성을 중심으로 동쪽에서 서쪽으로 하루에 한
바뀌씩 돈다. 별은 시계 반대 방향으로 일주 운동을 하며 15°/시 속도로 돌고 있다.
- 인공위성 궤도: 자구가 서쪽에서 동쪽으로 자전하기 때문에 인공위성의 궤도가 서쪽으로 이동하는 것처럼 보이게 된
다.
- 푸코의 진자 : 1851년 파리에 있는 판테온 사원에서 푸코는 길이 200ft의 철사에 매단 추의 진동면이 지면에 대해 시계
방향으로 도는 것을 볼 수 있었다. 이때 추가 받는 힘은 지구의 중력뿐이므로 진자는 처음의 운동 방향이 결정하는 연직
면내에서 운동하여야 한다. 그러나 추가 운동하는 동안에 지면이 자전하기 때문에 추의 진동면은 지면에 대해서 반대로
도는 것 같이 보이게 된다. 같은 이유로 남반구에서는 진동명의 회전이 북반구에서의 경우와는 반대로 나타난다. 한편
적도에서 적도면 내를 진동하는 진자는 이 진동면에 수직인 방향의 힘을 받지 않으므로 진동면은 전혀 회전하지 않는
다.
2. 지구의 공전
지구는 태양으로부터 평균 1억 5천만 km 떨어져서 1년을 주기로 공전한다. 이심률은 대략 0.017로 타원 형태로 공전을 하며, 태양과 가장 가까울 때는 1억 4,700만 km까지 가까이 간다. 공전 속도는 약 29.8km/s로 매우 빠르며, 자전축이 기울어져 공전하기 때문에 계절의 변화가 생긴다.
(1) 공전의 증거
- 연주시차 : 1년을 주기로 일어나는 별의 연주시차를 말한다. 관측자가 어떤 천체를 동시에 두 지점에서 보았을 때 생기는 방향의 차를 시차라 하는데, 지구 공전에 의해 1년을 주기로 시차가 생긴다.
- 광행차 : 1727년 영국의 천문학자 브레들리는 별 rDra의 연주 시차를 측정하려고 이 별이 보이는 위치가 1년을 통해서 어떻게 변화하는 가를 조사해 보았다. 그 결과는 연주시차로 예상되는 결과와는 달랐기 때문에 이 별의 시차를 측정하는 데에는 실패하였으나 브레들리는 그가 관측한 별의 위치 변환은 지구의 운동과 빛의 운동이 합성되기 때문이라고 생각했다.
- 별의 시선 속도의 연주 변화 : 별의 시선 속도란 별과 관측자의 상대 운동의 속도로서 그것의 크기는 별의 스펙트럼선의 도플러 효과에서 측정된다. 이 시선 속도는 1년을 주기로 규칙적으로 변화하는데 이것은 지구가 공전하는 동안에 어떤 때는 서로 접근하고 그 반년 후에는 후퇴하는 것으로 설명된다.
- 식 쌍성의 광행 시간 효과 : 쌍성의 궤도면이 관측자의 시선 방향에 가까운 경우에는 한 별이 다른 별을 일정한 시간마다 가리게 되어 식이 일어난다. 이와 같은 쌍성을 식 쌍성이라 한다. 한편 목성과 그 위성도 식을 일으키는데 1년에 걸쳐 식의 시작 시간을 조사하면 지구의 위치에 따라서 태양의 위쪽에서 볼 때는 약 8분 늦고 태양의 서쪽에 있을 경우에는 약 16분이 늦다. 이것은 빛이 지구 궤도를 질러 오는데 약 16분이 걸리기 때문이다. 식 쌍성의 경우에도 목성의 경우와 비슷한 광행 시간 효과가 나타난다. 따라서 이러한 현상은 지구 공전의 좋은 증거가 된다.