[칼럼]지2 천문학의 모든 것

안녕하세요.

첫 게시물 부터 칼럼으로 인사드립니다

지2 천체의 대한 학습자료가 상대적으로 부족하고 아직 출제되지 않은 부분도 많아서 저도 처음 공부하는데 난관을 겪은 파트인지라 전체를 정리해보고 싶은데 3차원 천구에 대한 이해를 노트에만 필기해서는 부족한 거 같아 칼럼으로 쓰게 되었네요.

5모 6모 지1 지2 만점,지구과학 올림피아드 준비하면서 얻은 잡지식 정도,,

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들어가며

1.방위의 이해

2.지구에서 관측되는 천체의 겉보기 운동 양상

-일주 운동과 연주운동

3.좌표계의 이해

-지평좌표계

-적도좌표계

4.행성의 시운동

이후의 설명은 전달의 편의를 위해 평서체로 서술하였음을 양해 부탁드립니다.

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1.방위의 이해

먼저 좌표의 기본이 되는 방위와 시각을 알아보자오필석 외,지구과학2 교과서,천재교육

태양,태양계 행성과 별의 뜨고 지는 일주운동은 지구 자전 때문에 일어나며 태양은 항상 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지고 지구의 자전방향은 서->동 임이 자명하다. 그러므로 동쪽에 있는 지역이 태양을 먼저 맞이하여 하루(시각)가 더 빨리 시작된다.

또한 국제 표준시는 영국 그리니치 천문대를 지나는 본초자오선을 기준으로 한 시각이며 국제표준시에 각 지역의 경도에 따른 시차를 더하여 표준시를 나타낸다. 이때 지구는 하루(24시간)에 360° 자전하므로, 경도 15°마다 1시간(60분)의 시차가 발생한다.

위 내용을 토대로 이를 적용한 문제를 풀어보자

자작

(단 별 S의 적위는 +35)

(가) 지역에 S가 남중했을 때, (나) 지역에서 S는 어느 쪽 하늘에서 보이는가?

먼저 (가)의 경도는 127°E이고, (나)의 경도는 77'E이므로 (가)는 (나)보다 50° 동쪽에 위치한다.

즉, (나) 지역은 (가) 지역보다 3시간 20분 느리다.(∵50%15=3시간 20분)

또한 (나)에서는 천구의 적도와 지면이 이루는 각이 59°이고, A의 적위는 +35°이므로 (나)에서 S는 북동쪽에서 떠서 북쪽 자오선을 지나 북서쪽으로 지는 출몰성이다.

따라서 

(가)지역에 S가 남중했을 때 (나) 지역에서는 S가 최대 고도에 도달 하기 약 3시간 20분 전이므로 (나)에서는 S가 ‘북동쪽’ 하늘에 위 치하게 된다.

정리하면 

“경도가 큰(더 동쪽인) 지역일수록 특정 천체는 먼저 남중한다.”

추가적으로

“남반구,북반구에 관계없이 적경이 작은 천체일수록 먼저 자오선을 통과해 남중시각이 빠르다”(단,적경 0h통과의 경우는 무시한다.)

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2.지구에서 관측되는 천체의 겉보기 운동 양상

(1)북반구 중위도에서 관측한 천체의 일주운동

임태훈 외,중학교 과학 비상교육 교과서

북반구 중위도에서 태양은 동에서 떠서 남쪽하늘을 지나 서쪽으로 지고 달,별,태양계 행성도 동쪽에서 떠 서쪽으로 지는 걸 관측할 수 있다.

지구의 자전은 서->동 으로 일어나고 천체의 일주운동은 1시간 15°씩 동->서로 이동하는 것 처럼 보이는 겉보기 운동이고

이때 지평좌표값은 변화하지만 적도좌표값은 일정하다,

(2)북반구 중위도에서 관측한 천체의 연주운동

임태훈 외,중학교 과학 비상교육 교과서

표로 정리하면 아래와 같다.

091120

(별자리보기판을 이용하면 그림의 ④는 11월 13일 저녁 7시에 우리나라에서 관측한 것이다.)

(이날 밤 10시에 관측되는 카시오페이아자리의 위치)=③

(45일 후 저녁 7시 관측되는 카시오페이아자리의 위치)=③

(3)북반구 극지역에서 관측한 일주운동-백야,극야

20080908

ㄱ,ㄴ. 태양이 북쪽 하늘을 지날 때에도 지평선 위에 있어서 하루 종일 태양이지지 않았으므로 고위도에서 나타나는 백야 현상에 관한 자료이다.이런 현상은 북반구에서는 태양의 적위가 큰 여름철에 나타난다.

ㄷ. 이러한 현상은 태양의 일주권이 지평선과 거의 나란한 고위도 지방에서 나타나며, 우리 나라와 같은 중위도에서는 관찰할 수 없다.

up)

적위가 음(-)의 값이 되는 겨울철에는 반대로 해가 뜨지 않는 극야 현상이 발생한다.

이 지역의 위도 φ 태양의 적위 δ 사이에는 δ +φ ≥ 90°인 관계가 성립한다.(∵h = φ + δ − 90° 태양이 지평선 아래로 지지 않으려면 h_min ≥ 0°)

자전축 기울기가 현재보다 커지면, 이 지역에서 이러한 현상(백야)이 나타날 수 있는 기간이 더 길어진다.

(3)남반구 중위도에서 관측한 천체의 일주운동

20191017

ㄱ.선지만 풀이하면 

10월 23일에 태양의 적경은 약 14h이며 A,B의 적경은 12h이다. 이날 태양은 A,B보다 적경이 크므로 동점부근에 위치해야 한다.

그러므로 (가),(나) 모두 해 뜨기전 관측한 것이고 (가)는 남반구 동쪽하늘,(나)는 북반구 동쪽하늘의 모습이다.

(가)의 천구는 다음과 같다(동점을 관측자가 바라볼때의 모습을 고려하라)

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3.좌표계의 이해

좌표계들은 다양한 형태로 문제에 등장한다.

이때까지 출체된 자료형태

1.평사도법

2.성도,천상분야열차지도,황도 12궁

3.지평 좌표계를 쭉 펼쳐 만든 평면 도안

4.적도 좌표계를 쭉 펼쳐 만든 평면 도안

5.관측자가 일어서서 관측한 하늘의 모습

6.관측자가 누워서 관측한 하늘의 모습

7.천구를 바깥에서 바라본 모습

등이 있다

자료를 보기 앞서 출몰성의 특징을 정리하면

북반구의 동일적위 중위도 고위도

남반구의 동일적위 중위도 고위도

cf)남반구에서 적위가 (-)인 천체는 고위도가 중위도보다 떠 있는 시간이 더 길다.

관측지점이 남반구인 경우 천구 남극에 가까운 별일수록 떠있는 시간이 길어진다.

*떠있는 시간 vs 관측가능시간

자작

ㄱ.6/21경 북위35지역에서의 관측가능시간:

세페우스자리의 관측 가능 시간 = 기린자리의 관측 가능 시간 (두 별자리 모두 밤새도록 관측 가능하므로 동일함)

ㄴ,6/21경 북위 70지역에서 관측가능한 시간:0시간 (백야 현상으로 인해 둘 다 관측 불가능하여 동일함)

ㄷ.3/21경 북위 15지역에서 관측가능한 시간:

기린자리의 관측 가능 시간이>세페우스자리의 관측가능 시간(적위차를 무시하면 세페우스 자리는 태양이 뜨기전 약 2시간 기린자리는 태양이 진후 약 4시간 관측가능 물론 오차가 있음,정확히는 구면삼각법을 이용한다)

1.평사도법

20221115

ㄷ선지만 살펴보자

천체의 연주운동에 대한 내용을 묻고 있다.30일후 지구는 30° 이동하고 태양적경은 2h 증가한다. 22시의 남중한 시간권의 적경은 0h이고 별의 적경은 18h로 일정하므로 작도하면 아래와 같다.(남중한 B의 고도가 30° 이므로 남중고도 공식에 의해 적위는 -25°이다)

따라서 B를 관측하는 것은 불가능하다.

2.성도,천상분야열차지도,황도 12궁

3.4.지평/적도 좌표계를 쭉 펼쳐 만든 평면 도안

5.관측자가 일어서서 관측한 하늘의 모습 -stellarium

적경 증감을 확인하자

북반구 북쪽하늘

북반구 동쪽하늘북반구 서쪽하늘북반구 남쪽하늘

남반구 남쪽하늘(북극성에 대응하는 남십자성을 찾아보라)

남반구 동쪽하늘

남반구 서쪽하늘

남반구 북쪽하늘

6.관측자가 누워서 관측한 하늘의 모습

-누워서 본 모습이므로 동서가 뒤집혀 있음을 유의하자

20190620

“북반구에서 천구북극으로부터 천체까지 떨어진 각거리를 90도에서 빼면 그 천체의 적위와 같다.”

다음 그림을 통해 ㄱ과 ㄴ의 진위를 쉽게 판단할 수 있다.

B는 방위각이 135도이고 남쪽자오선까지 방위각 45도 차이가 나므로 3시간후인 새벽 3시에 남중할 것이라 생각할 수 있다. 그러나 극지역을 제외하고 별의 속도와 방위각 변화량은 일치하지 않으며 출몰성은 자오선 부근에서 방위각 변화량이 극대이다 따라서 새벽 3시보다 이른 시각에 남중한다.

7.천구를 바깥에서 바라본 모습

자작

[출제의도] 떠있는 시각과 남중시각을 구별할 수 있는가?

ㄱ. ㉠은 (가)에서 관측한 결과이다. (○)

(가)는 북극성이 보이므로 북반구, (나)는 남극성이 보이므로 남반구이다.

별 A의 적위가 (+)이므로 북반구에서는 지평선 위에 떠 있는 시간이 12시간보다 길고, 남반구에서는 12시간보다 짧다.

㉠의 떠 있는 시간 = (T+14) - T = 14시간

㉡의 떠 있는 시간 = (T+15) - (T+5) = 10시간

따라서 ㉠은 (가), ㉡은 (나)에 해당한다.

ㄴ. θ = 45°이다. (○)

위도를 알 수 없어 뜨는 시각만으로는 경도를 비교할 수 없다. 따라서 남중 시각을 이용한다.

(가)의 남중 시각 = (T + T+14) ÷ 2 = T+7

(나)의 남중 시각 = (T+5 + T+15) ÷ 2 = T+10

(나)의 남중 시각이 (가)보다 3시간 늦다.

지구는 1시간에 15° 자전하므로

경도 차 = 3 × 15° = 45°

남중이 늦은 지역이 더 서쪽이므로

θ = 90°E − 45° = 45°E

따라서 θ = 45°이다.

ㄷ. 두 지역에서 별 A가 모두 떠 있는 시간은 9시간이다. (○)

(동시에 떠 있는 시간) = (T+14) − (T+5) = 9시간

정답

ㄱ, ㄴ, ㄷ (⑤)

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4.행성의 시운동

먼저

“태양과 행성은 천구상에서 황도 또는 황도 부근을 따라 이동한다.”

5번 선지에 주목하여 시간에 따른 황도의 겉보기 움직임부터 시각적으로 알아보자.

Ai로 만든 한시간 후 모습 (황도의 이동만 주목, 일부는 왜곡됨)

한 시간 후 동쪽에서 황도와 지평선이 만나는 지점의 방위각은 북쪽으로 이동한다.

좀 더 자세한 기작은 5분 30초부터 나오는 스텔라리움을 이용한 1년간 The zodiac and the Eclipse 를 확인하기 바란다.

20150618

본격적인 행성의 운동을 관측에 대해 알아보자

네이버 지식백과

내행성의 관측 가능 시간

: 행성의 최대이각 : 15° (지구가 1시간에 15° 공전하므로)

 수성 (28°) : 최대 약 2시간 

금성 (48°) : 최대 약 3시간

-Snapshot Observation

20140416

1,초승달이 관측되므로 초저녁 서쪽 하늘의 모습임을 쉽게 알수 있다.

2.외행성은 초승달 모양으로 관측될 수 없다.

3.수성이 금성보다 이각이 크므로 금성보다 늦게 진다.(정답)

4.현재 외행성은 합과 동구 사이에 위치하므로 순행한다.

5.금성은 최대이각에 위치하지 않는다.(수성보다 이각이 작음)

20221009

1.천왕성은 합과 서구 사이에 위치하므로 순행한다. 역행하려면 충 부근에 위치해야 한다.

2.토성은 서구와 충 사이에 위치한다.(거의 남중하고 있는 위치이므로)

3.수성은 동점을 지나는 천구의 적도보다 위쪽에 위치하므로 적위가 (+)값을 갖는다. 

4.다음 날 금성의 이각은 작아지고 화성의 이각은 커지므로 금성 - 지구- 화성이 이루는 각은 커진다.(케플러 회전에 따라 지구에서 본 상대적 위치는 내행성은 반시계방향 외행성은 시계방향으로 이동하는 것으로 보인다)

20190417

ㄱ 선지에 대한 판단을 두가지 방법으로 할수 있다

1.“천구적도와 황도의 기울기는 대체로 유사하다”

따라서 동쪽하늘에서 관측한것인데 수성이 관측되므로 새벽에 관측한 것이다.

2.“외행성의 남중시각은 항상 빨라진다”

외행성은 매일 빨리 뜨므로, 관측 위치가 서쪽 하늘(초저녁)이라면 며칠 뒤 빠르게 지평선 아래로 사라져야 하는데 그림은 반대의 양상이므로 동쪽하늘 새벽에 관측한 것이 타당하다.

(이하 생략)

-Time-series Observation

1.수성의 시계열

20081120

1.해가 진후 관측한 내행성의 위치이므로 서쪽하늘을 관측한 것이다.

2.B는 동방최대이각,A는 내합 (10/22,2/22도 내합)

3.위 자료를 통해 수성의 회합주기가 약 4개월 임을 알 수있다.

더 정확한 이해는 아래 영상을 참고하길 바란다.(붉은색이 Mercury)

공전궤도가 일정하지 않은 이유 및 역행 설명:

https://youtube.com/shorts/AHbd9T4L9Ag?si=WYmgLqCxUQpwyh28

2.금성의 시계열

출처:http://86bluebird.com/bbs/zboard.php?id=tip&page=3&sn1=&divpage=1&sn=off&ss=on&sc=on&select_arrange=name&desc=asc&no=52

북위 37도 관측자가 본 금성의 시계열

실제 내행성의 일주권은 태양의 적경과 적위가 바뀜에 따라 내행성의 적위도 바뀌기 때문에 매우 복잡하게 나타난다.

남반구 동쪽하늘 새벽
일부 왜곡됨(6월 부터 8월까지는 위상 백분율이 100%보다 작으면서 100%로 수렴하도록 나타나야함)

남반구 서쪽하늘 초저녁

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지평 좌표계와 적도 좌표계를 정신없이 오가고, 복잡한 궤도로 운동하는 행성들을 쫓아가느라 고생 많으셨습니다.

생각보다 글이 많이 길어져서 여기서 마치도록 하겠습니다.(회합주기나 케플러 법칙도 할려했는데,,,)

일부 문제나 자료(특히 남반구)는 직접 만드느라 작성하는데 

상당히 오래걸렸네요;;

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.반응이 좋으면 다른 칼럼으로 찾아뵙겠습니다.

"Remember to look up at the stars and not down at your feet."

— 스티븐 호킹 (Stephen Hawking)