달의 진화, 달의 탄생과정

우리에게 너무나 친숙한 달의 모습이다.


오래 전부터 달은 우리의 생활과 밀접한 관련이 있었다. 달이 지구를 한 바퀴 돌아 제자리로 돌아오는 기간을 1로 잡아서 음력을 만들었고, 달이 태양을 가리는 일식이 일어나게 되면 조상들은 이 땅에 재앙이 닥칠거라면서 미래를 점치곤 했다.


또한 달에 보이는 까만 무늬를 보고 각 문화별로 그들만의 상상의 나래를 펼치곤 했었다.

달 세계의 여행

달은 영화의 소재로도 쓰였으며, 달을 소재로 한 최초의 영화는 조르주 멜리에스의 '달 세계의 여행'이다. 영화가 발명된 지 채 20년도 지나지 않은 시점에 조르주 멜리에스는 로켓에 사람을 싣고 달에 쏘아보내 그곳을 탐험하는 내용을 소재로 한 영화를 제작했다.


이렇듯 달은 예로부터 우리 삶과 밀접한 관계를 지니고 있었다.

1. 달의 특성

달의 동주기현상

대부분의 사람들도 알다시피 달은 우리로부터 대략 38만km 떨어진 곳에서 한 달에 한 번씩 우리 주위를 돌고있다. 특이한 점이라면 달의 자전주기와 공전주기가 동일하다는 것인데, 천문학 용어로 이를 Synchronous Rotation이라고 부른다. synchronous는 동일하다는 의미를 지니고 있다고 보면 된다.


그래서 우리는 달의 앞면밖에 볼 수 없는데 정확히 달의 50%만 볼 수 있는 건 아니다. 달을 주기적으로 찍어서 한 곳에 모아보게 되면

GIF

이처럼 달 자체가 팽이처럼 회전하고 있는 모습이 보이는데, 이러한 현상을 칭동, 장동이라고 부른다.

이 현상은 달이 타원궤도를 돈다는 점과, 황도면을 기준으로 공전궤도면이 약 6도정도 기울어져 있다는 특성 때문에 발생하는데, 이 덕분에 우리는 달의 약 60% 정도의 면적을 볼 수 있게 되는 셈이다.


달의 질량은 상당히 작아서 지구의 1퍼센트에 지나지 않는다. 그래서 표면중력은 지구의 1/6에 불과하다. 그래서 우리가 달나라에 간다면 누구나 높이뛰기 선수가 될 수 있을 거다.

달은 지구와 달리 요상한 지형들이 상당히 많은데, 기본적으로 대기가 없기 때문에 달 전체를 크레이터(Crater)가 가득 메우고 있으며, 달의 앞면에 보이는 까만 부분인 마리아(Mare, 머-레이 라고 읽음. 복수형은 Maria), 그리고 마리아보다 밝은 부분인 테라(Terrain, 복수형Terrae)가 존재한다.


마리아는 라틴어로 '바다' 라는 뜻이며, 테라는 '땅'이라는 뜻이다.


보통 테라는 산악지대(Highland)라고도 불러. 왜냐하면 마리아보다 고도가 상당히 높기 때문이다. 그 고도는 상당히 높아서 보통 2~5km정도 한다고 한다.


이 세 지형 말고도 달에는 지구에서 볼 수 없는 특이한 지형이 하나 더 있는데, 이 지형은 마치 목성의 위성인 유로파에서 흔히 볼 수 있는 메론줄무늬와 비슷하다.

이를 Scarps(절벽)라고 부르며, 이 부분에 대해선 달의 기원에 대해 설명할 때 자세히 알아보도록 하겠다.

달 곳곳에서 발견되는 줄무늬

지구에서 동이 틀 때나 해가 지고나서 한참동안 하늘이 밝은 현상을 본 적이 있을 것이다.

이 현상을 여명이라고 하는데, 달에도 여명이라고 부르는 용어가 있다.


달의 여명을 Terminator라고 하는데, 태양이 뜨기 직전이나 진 직후의 기간을 의미한다.  

달의 터미네이터

달에서 낮과 밤의 기온차는 엄청나게 크다. 태양빛이 드리우는 곳은 섭씨 160도가 넘어가며, 그늘진 곳은 영하 100도를 밑돌고 있다.  


이렇게 극심한 일교차 때문에 과거 달을 탐사하려는 경쟁이 한창 진행됐을 때 우주인들은 해가 진 직후나 뜨기 직전인 부근인 Terminator에 착륙하여 얼른 볼 일을 보고 떠났다고 한다.

달 탐사 얘기가 나왔으니 하는 말이지만 달 탐사는 바로 유인탐사로 이루어지지 않았다.

달에 몇 번 무인우주선을 보낸 후 사람을 태우고 보냈을 뿐이다.


뭐 행성간 탐사를 할 때는 당연한 얘기겠지만, 달은 특히 그랬어야만 했다.


당시 천문학자들은 달의 표면이 마치 진흙구덩이와 같다고 생각했었다.

그 말인즉슨, 우리가 진흙구덩이에 빠졌을 때 발버둥칠수록 더 깊게 빠지는 것처럼, 달의 표면도 이러한 형태로 되어있을 것이라 생각하여 유인탐사 계획을 신중하게 고려했었다는 거다. 물론 달에 진짜 물과 흙이 섞인 진흙이 있는 건 아니다!


실제로 달의 표면은 이러한 형태의 모래로 덮여있을 것이라고 생각하고 있다. 천문학 용어로 이를 Regolith라 하며, 번역하면 '표토'정도 될 거다.

달의 표토

보통 표토는 지표면의 흙을 뜻하는데, 흙은 커다란 바위가 침식 과정을 거쳐 서서히 깎여나갈 때 생기는 먼지라고 생각하면 된다.


달에는 침식현상이 일어날 만한 건덕지가 없는데 왜 이렇게 표토가 존재하게 될까?

대기도 없어서 바람도 불지 않고.. 지각활동도 없어서 돌이 부숴지지도 않을텐데 말이다. (지각활동이 완전히 없는 건 아니다. 달에도 지구의 조석력 때문에 '월진'(moonquake)이 발생한다.)

미소운석들

답은 '소행성 충돌' 과 '태양풍' 이다.

여기서 말하는 소행성 충돌은 지름 수 km짜리 거대한 소행성과의 충돌을 말하는 게 아니라 아주 작은 녀석과의 충돌을 뜻한다. 즉 micrometeorite(유성)이라고 보면 되는거다.  


이 미소유성들이 달과 계속 충돌하여 달의 지각을 야금야금 갉아먹으면서 생긴 먼지가 점차 쌓인 거라고 보는 것이다.


또한 태양풍 역시 달의 표토가 생기게 하는 원인이 될 수 있는데, 태양풍은 태양으로부터 방출되는 초속 400km이상의 고속 하전입자를 뜻한다.

이들은 아무리 작아도 그 양이 상당하고 또한 속도도 매우 빠르기 때문에 운동에너지가 무시못할 정도로 큰데, 달에는 이러한 하전입자를 막아줄 대기와 자기장이 없기 때문에 하전입자가 그대로 표면에 도달하게 되고, 이들은 달의 돌들을 쪼아서 조금씩 침식을 시켰다.


이렇게 수십억년이 흘러 현재 달의 표토는 그 깊이가 평균 20m에 달하는 것으로 추산되며 깊은 곳은 50m까지 된다고 한다.


때문에 유인탐사를 하기 위해선 표토가 매우 얕은 곳을 선정해야 하는 어려움이 있었다.


참고로 아폴로 11호가 최초로 사람을 싣고 달에 착륙했을 때 그들은 원래 계획된 표토의 깊이가 얕은 곳에 착륙하려고 했지만 계산 미스로 목표 지점에서 한참 벗어난 곳까지 멀어졌고, 목표지점에 착륙하기 위해 되돌아가기도 했지만 지구로 돌아올 연료가 빠듯해지자 에라 모르겠다 하고 착륙했다고 한다.

마침 그곳의 표토 깊이가 상당히 얕은 축에 속했기 때문에 그들은 무사히 달에 발을 디딜 수 있었던 것이다.


2. 달의 기원

달이 어떻게 생겨났는지에 대한 토론은 이전부터 끊이질 않았다. 이전까지 소개된 이론으로는 포획설, 동시생성설 등이 있었으며 이 이론 중 오늘날 가장 그럴듯하다고 받아들여지는 이론은 관심있는 사람들은 잘 알다시피 미행성 충돌설(Collisional Ejection Theory)이다.  


쉽게말해 지구가 생긴 지 얼마되지 않아 화성만한 천체가 지구를 스치듯이 충돌했고, 그 충돌의 여파로 만들어진 녀석이 달이라는 것이다.


이 이론을 적용하면 그전의 이론으로는 설명할 수 없었던 현상들, 가령 달의 밀도가 지구의 지각밀도와 유사한 점, 방사성 동위원소로 측정한 나이가 정확히 같지 않다는 점, 그리고 무엇보다 이전에 소개된 이론으로는 설명할 수 없었던 달의 공전궤도면이 황도면과 불과 5도밖에 차이나지 않는 이유를 가장 그럴듯하게 설명할 수 있어서 오늘날 대세의 이론으로 자리잡았다.


또한 이 미행성 충돌설은 지구의 자전축이 왜 공전궤도면을 기준으로 23.5도 기울어져 있는지도 설명해주고 있어서 상당히 그럴듯한 이론이다.


달의 운석을 캐다가 방사성 동위원소로 나이를 측정해보면 비슷비슷하게 나오지만 그 중 가장 오래된 녀석은 대략 43억년 정도 된다고 한다.


달은 지금으로부터 약 45억년 전에 생성되었다고 여겨지며, 이때 지구는 거의 제 모습을 갖춘 상태였다. 마그마로 들끓던 행성 전체는 화학적 분화로 가벼운 것은 위로 뜨고 무거운 것은 아래로 가라앉았으며, 이 상태로 굳어져 가고 있었다.  

45억년 전 태양계의 안쪽은 상당히 복잡했다. 수십여개의 미행성체가 아직도 태양 주변을 마구잡이로 돌고 있었으며, 이중 화성크기의 미행성체 하나가 어느날 지구와 충돌하게 된다.


정확히 질량중심쪽으로 충돌했다면 둘 다 부숴져서 달을 만들어내질 못했을 테지만 우연이랄까? 이들은 질량중심과 살짝 벗어난 곳으로 비스듬히 충돌을 했다.



그때 당시 지구는 이미 화학적 분화가 끝난 상태였기 때문에 표면은 오늘날과 같은 규소와 산소로 이루어져 있었고, 그 밀도는 대략 3500g/cm^3정도였다.


이 상태에서 비스듬히 충돌을 했기 때문에 지구의 가벼운 표면부분은 그대로 벗겨져 나갔고, 엄청난 충돌의 여파로 자전축마저 기울어져 버렸다.


바깥으로 날아간 돌덩이들은 다시 지구 중력권에 붙잡혀 주위를 맴돌기 시작했고, 이들은 태양계가 형성되는 것과 같은 원리로 서서히 뭉쳐서 오늘날의 달을 만들어냈다.



이때가 충돌 후 대략 2억년 후였으며, 달의 내부가 채 식기도 전인 41억년 전부터 38억년 전까지 달에는 후기 운석 대폭격기(Late Heavy Bombardment)라 불리우는 대격변의 시기가 존재했었다.


이 기간동안 100년에 한 번꼴로 수 km 소행성이 달과 충돌했으며, 충돌의 여파로 크기 수십~수백km, 깊이 수 km의 거대한 분지를 만들어냈다. (이게 상당히 드물게 발생하는 일이라고 볼 수도 있는데, 이 과정이 수억년동안 지속됐기 때문에 달은 이 기간동안 직경 수 km의 소행성 수백만개와 충돌했다.)


하지만 당시 달의 내부는 아직 식지 않은 상태였기 때문에 충돌의 여파로 마그마가 뿜어져 나왔고,

이 마그마는 거대한 분지를 그대로 덮어버렸어. 시간이 지나 이들은 굳어지면서 까맣게 변하여(화산암) 오늘날의 바다라고 불리우는 지형을 만들어냈다.


마그마가 굳어졌기 때문에 주변에 비해 밀도가 상대적으로 컸으며, 때문에 마그마가 표면에 노출된 지역이 그렇지 못한 지역보다 질량이 더 나가게 됐다.  


이렇게 발생한 질량 불균형은 지구의 중력에 의해 바다가 지구쪽을 향하도록 하였고, 최초 생성된 달은 지금보다 상당히 가까웠기 때문에 지구의 조석력에 의해 자체적인 회전성분이 멈춰버렸다.


후기운석 대폭격기 이후에도 꾸준한 소행성 충돌에 의해 달에는 점차 크레이터가 생겨났으며, 달이 점차 식어가면서 액체상태로 존재했던 맨틀과 핵은 대부분 고체상태로 변하게 됐다.


이렇게 식어가면서 달의 크기가 조금씩 줄어들었으며,

수성에서 보이는 균열

동일한 질량 내에서 그 물체를 압축시키면 찌그러지는것과 같이, 달은 건포도마냥 표면 곳곳에 균열이 생기게 됐다.


이렇게 발생한 균열이 위에서 잠깐 언급한 Scarps(절벽)이다. 이러한 Scarps는 수성의 표면에도 존재한다. 이 과정을 거쳐 오늘날의 달이 탄생하게 된 것이다.


달의 기원에 관한 내용은 아래 동영상을 보면 한눈에 이해할 수 있다.

3. 달의 미래

아마 많은 사람들이 달이 지구로부터 멀어지고 있다는 사실을 알고있을 거다. 달을 포함한 다른 행성들의 대부분의 위성도 이러한 현상을 보이고 있다.


이 현상은 지구와 달에서 발생하는 효과가 가장 크며, 다른 위성들도 이 현상을 겪지만 대부분 그 정도가 너무 약해서 그냥 무시해도 된다.


서해안에서 볼 수 있는 조수간만 현상은 달이 지구로부터 멀어지는 현상과 밀접한 관련이 있다. 달은 지구에 비해서 그 중력이 상당히 약하지만 그래도 없는 건 아니다.


이 미약한 중력은 고체상태의 지구를 비틀기에는 턱없이 부족하지만, 유체인 물의 경우는 충분하다.


그래서 달이 끌어당기는 방향과 그 반대편으로 물이 쏠리게 되는데, 마침 그지역에 있다면 조수간만을 보게 되는 것이다.

그런데 지구가 반시계 방향으로 자전하기 때문에 쏠린 물 역시 두 천체의 질점을 기준으로 약 10도 정도 벗어나게 되는데, 물 자체도 중력을 가지고 있기 때문에 달을 끌어당기게 된다. 그런데 달 역시 반시계 방향으로 공전하므로, 이 중력은 달의 공전속도를 높이는 결과를 만들어내게 된다.


그렇다면 같은 중력에서 원심력이 세지면 당연히 바깥으로 튕겨져나갈 것이다.

그래서 달이 지구로부터 멀어지는 것이다.


또한 지구에는 액체상태의 물이 상당히 많이 존재하기 때문에 다른 행성의 위성보다 그 정도가 매우 큰 것이고,

한편 이렇게 어긋난 물들은 토크를 발생시켜서 다시 원래 모양으로 되돌아가려고 한다. 근데 이 힘은 지구의 자전방향과는 반대방향이기 때문에 이 물과의 마찰이 발생하여 지구의 자전속도를 늦추게 된다. 이 현상으로 지구의 자전은 100년에 0.002초씩 느려진다고 한다.


달리 말하면 달이 생성된 지 얼마 되지 않았을 때에는 지금보다 훨씬 가까웠고, 지구의 자전 역시 상당히 빨랐다는 것을 알 수 있다.


마찬가지로 지금으로부터 오랜시간이 지나면 달은 결국 지구를 탈출하게 되고, 지구의 자전도 상당히 느려지게 되는 결론에 도달할 수 있다.

먼 미래에는 보지 못하는 현상이 될 것이다.


달이 우리로부터 멀어지게 된다면 드물고 화려한 우주쇼 중 하나인 개기일식이 더이상 일어나지 않게 된다.


왜냐하면 달이 멀어지면서 각지름이 작아지기 때문에 완전히 태양을 덮지 못하기 때문이다.

대신 금환일식이나 부분일식은 계속 발생하게 될 거라고 본다.


출처

중학교 과학시간에 배웠던게 얼핏 생각나네...

매일 보는 달 진짜 신기함...

작아졌다 커졌다 꿀팁 알아가네!

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