2019 심화교육 – 천체지구과학 강의노트 2

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2019-10-08 경남과학고등학교 오유신 작성

#태양계 시스템

태양계의 개요

태양계는 태양과 수금지화목토천해의 행성, 그리고 행성 주위를 공전하는 위성, 소행성, 그리고 일부 행성의 경우(사실 모든 목성형 행성의 경우) 골, 혜성, 운석, 우주먼지, 외곽 태양계의 카이퍼 벨트나 오르트 구름 등으로 이루어져 있다.

태양계의 경계선을 구분하는 기준은, 태양의 중력이 실질적으로 영향을 미치는 범위로서 구분한다.

태양계의 행성들의 질량 백분율

태양이 거의 대부분을 차지하고, 목성이 0.1%, 나머지는 미량/소량을 차지한다.

행성의 운동

갈릴레오 갈릴레이는 관성의 존재한다는 사실을 보고 행성 운동이 지속적으로 일어날 수 있음을 설명했음.

요하네스 케플러는 티코 브라헤의 관측 자료를 먹어서 유명한 행성 운동의 3가지 법칙을 발표함: 타원궤도의 법칙, 동일면적의 법칙, 조화의 법칙.

아이작 뉴턴은 이러한 행성들의 운동을 물리 역학적으로 설명함. 뉴턴의 3대 운동 법칙과 만유인력의 법칙으로 행성들의 운동을 설명.

갈릴레오 갈릴레이의 관성

공기저항과 마찰력 등, 비보존력이 없다면, 빗면 사고 실험에서 공이 빗면을 올라가는 거리는 빗면의 기울기가 작아질수록, 빗면을 오르는 거리가 증가한다(최초 낙하 높이와 같은 높이까지 올라가니까).

빗면의 기울기가 0이라면? : 공이 운동하는 거리는 무한대가 될 것이다!

> 물체는 외력이 가해지지 않는 한, 자신의 운동 상태를 계속 유지한다
(관성의 법칙)

케플러의 행성 운동 법칙

제1법칙: 타원 궤도의 법칙
> 행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원을 따라서 공전한다.
> 뉴턴 역학에서 해석하면, 두 천체(이체계)가 서로 인력을 작용하면서 회전 운동을 하는 경우, 그 회전 운동의 중심은 두 천체계의 질량 중심이 된다.
> 지구와 태양의 경우는 태양의 질량이 압도적으로 크므로, 질량 중심은 태양의 내부에 위치하게 된다.
> 태양의 질량 중심과 지구-태양의 질량 중심이 근접하지만 완전히 일치하지는 않으므로, 두 개의 초점이 생기는 타원 궤도로서 지구가 태양 주위를 공전하게 된다.
> 사실, 태양도 태양-행성의 공통 질량 중심을 중심으로 해서 공전한다!

제2법칙: 동일 면적의 법칙
> 행성이 태양 주위를 돌면서 정해진 시간 동안에 그린 부채꼴의 면적은 항상 일정하다: 근일점 주변에서는 지구의 공전 속도가 빠르고, 원일점 주변에서는 지구의 공전 속도가 느리다.
>
> 뉴턴 역학에서 해석하면, 각운동량이 보존되기 때문에, 회전운동을 하고 있는 물체는 중심으로부터의 거리에 따라 회전 속도가 달라진다.

제3법칙: 조화의 법칙
> 행성의 공전 주기의 제곱은 행성의 타원 공전 궤도의 장반경의 세제곱에 비례한다.

>
> 뉴턴 역학에서 해석하면, 행성 궤도의 이심률은 굉장히 낮으므로 이를 원운동으로 근사할 때, 그 원운동의 근원이 되는 힘이 구심력임을 이용하면 된다.
> 즉, 중력=구심력의 운동방정식을 세워서,
[eqn: G {M`m} over {r ^{2}} = {mv ^{2}} over {r}], [eqn: v`=`(G {m} over {r} ) ^{1/2}], [eqn: P`=` {2 pi r} over {v}] -> [eqn: v ={ 2 pi r}over{p}], [eqn: P^{2}= { 4pi^{2}} over {GM }r^3]으로서
[eqn: P ^{2} PROPTO r ^{3}]. ■.

탈출 속도

물체가 중력을 가지는 천체를 완전히 떠날 수 있는 최소의 속도(물체가 어떤 천체의 중력의 영향으로부터 완전히 벗어날 수 있는 속도)

천체와 물체의 이체게에서 나중 중력에 의한 퍼텐셜 에너지가 0이 되기 위한 물체의 최소 초속도

유도) 탈출 속도로 물체를 쏘아올린다면 나중의 물체-천체의 이체계의 중력 퍼텐셜 에너지는 0이다(무한원점의 중력 퍼텐셜 에너지를 0으로 잡는다)
[eqn: E`=` {1} over {2} mv ^{2}], [eqn: U _{g} =-G {Mm} over {r}], [eqn: {1} over {2} mv _{escape} ^{2} +(-G {Mm} over {R} )=0], [eqn: v _{escape} = sqrt {{2GM} over {R}}].■.

행성의 질량이 클수록, 행성의 반지름이 작을수록 탈출 속도는 증가한다.

지구에 대한 탈출 속도는 약 11.2km/s이다.

태양계 행성의 성질

1. 공전 및 자전의 방향

> 공전: 공전의 방향은 모든 행성들이 태양이 자전하는 방향과 동일하다. 북극성 부근에서 태양계를 내려다볼 때, 반시계방향이고, 이 방향을 서->동의 방향으로 약속한다.

> 자전: 금성을 제외한 나머지의 경우 공전 방향과 동일하다. 금성만 홀로 공전 방향과 반대 방향이고, 천왕성과 왜소행성 134340은 거의 누워서 자전한다. 금성의 경우 공전 방향이 반대인 것에 대해서는 충돌에 의한 자전축의 회전 가설이 존재한다. 천왕성의 경우는 거의 누워 있으나 공전 방향이 반대라고 보는 경우도 있다.

2. 태양계 행성의 물리량

>

> 행성들의 물리량을 보고 설명하는 것이 필요

3. 행성들의 위성

> 지구형 행성들에 비하여 목성형 행성들은 주로 기체로 구성되어 있고 크기도 크고, 고리를 가지며 많은 수의 위성을 가지고 있음.

4. 목성형 행성과 지구형 행성의 비교

>

5. 행성의 대기

> A. 금성
>> 금성은 밤하늘에서 가장 밝은 천체로, 그 크기는 지구와 비슷하다.
>> 태양으로부터 약 0.7AU 떨어져 있으며, 금성 대기압은 지구 대기압의 93배이다. 높은 대기압의 원인은 대부분이 중량 기체인 이산화탄소로서 대기가 구성되어 있기 때문이다.
>> 금성 대기의 96% 정도는 이산화탄소 기체로, 3.5%는 질소나 기타 아르곤 등의 기체로 구성되어 있다.
>> 금성 대기의 경우 대류권은 지상 50km까지 발달하며(지구에 비하면 상당히 대류권의 범위가 큰 편) 상층부에는 황산 구름이 발달(...)한다.
>> 금성은 높은 이산화탄소 기체 함량으로 인한 온실효과로, 높은 표면 온도(730K, 약 섭씨 467도)를 가지며, 표면에는 바람이 발생하기도 한다.

> B. 지구
>> 지구의 대기는 수증기, 이산화탄소 등의 온실 기체로 인한 온실 효과로서 열을 저장하고 있다.
>> 지구의 대기와 자기장은 우주선(cosmic ray) 및 태양풍을 방어하는 역할을 하기도 하며, 대기의 순환은 지구 평균 온도 조절에 기여한다.
>> 지구의 대기는 그 온도에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 분류하며, 지구의 대기에는 오존층, 전리층(이온층), 자기권이 존재한다.
>> 지구의 대기는 질소, 산소, 아르곤 등으로 구성된다.

> C. 화성
>> 화성의 대기는 표면 기압이 0.007atm 정도로, 그 구성은 95%가 이산화탄소로 구성된다.
>> 화성은 표면 온도가 낮으므로 물이 액체 상태로 존재할 수 없다. 여름에 온도가 상승하더라도 대기압이 낮기 때문에 승화해버린다.
>> 화성에는 먼지구름이 자주 발달하며, 산 언저리 부근에 물/얼음의 구름이 발달하기도 하고, 높은 고도에서 이산화탄소가 응고되어 드라이아이스의 형태로 존재하기도 한다.

> D. 목성
>> 목성은 수소와 헬륨의 대기를 가지며, 암모니아 구름층을 가지고, 고리를 가진다.
>> 목성의 거대 폭풍(일종의 태풍)인 대적반은 약 400년 전에 발견되어 현재까지도 잔존하고 있으며, 그 크기는 2~3배에 달한다. 대적반이 현재에도 유지될 수 있는 이유로는 지구와는 달리, 폭풍에 대하여 지표면과 같이 마찰을 유발하는 요소가 거의 없기 때문임으로 추정된다.

> #목성형 행성의 대기
>> 목성형 행성의 대기 주성분은 수소와 헬륨이다.
>>> 목성과 토성: 메탄, 암모니아 등을 추가로 함유하며, 이러한 정보는 두 행성에서부터 반사된 태양광의 흡수선 스펙트럼으로부터 얻어낸 것이다.
>>> 천왕성, 해왕성: 메탄 2~3% 정도를 추가로 함유하고 있다.
>> 그 대기 구조와 구름을 살펴보면,
>>> 목성과 토성: 대류권의 최상층에는 암모니아가 응결한 구름이 발달하고, 그 하단에 암모니아수황화물 구름 층, 그 하단에 수증기 구름 층이 순차적으로 발달한다.
>>> 목성의 대기 색상은 흰색, 적색, 적황색, 밤색 등으로 다양한데, 흰색은 주로 암모니아 구름의 색이며, 적색, 적황색, 밤색 등은 암모니아수황화물의 황 성분에 의하여 발생하는 색이다.
>> 천왕성, 해왕성: 대류권 상단에 청색을 띄는 메탄 구름 층이 발달한다.

목성계:목성의 위성

목성은 130개가 넘는 위성과 고리 구성 소천체를 가진다.

목성에는 1610년 갈릴레오 갈릴레이에 의하여 발견된 갈릴레이 위성 4개가 있다. 이 위성들은 이오, 가니메데, 유로파, 칼리스토이다.
> 1. 이오: 수성의 3/4의 크기 정도이고, 화산활동을 하며, 전리층과 오로라가 존재한다.
> 2. 가니메데: 목성의 위성 중 가장 큰 위성으로, 표면의 1/3은 검고, 크레이터로 가득하다. 최초 10억년 동안 화산활동이 활발하였고, 지각활동에 의하여 내부의 상당한 양의 물이 표면을 뒤덮은 상태이다.
> 3. 유로파: 유로파의 줄무늬는 얼음층이 깨진 흔적이며, 유로파는 상당히 매끄러운 표면을 가진다. 현재 유로파는 산소가 대기의 일부로 되는 과정 중에 있고, 온실효과에 따른 오존층의 파괴가 발생하고 있다. 현재 유로파에는 지구에 잔존 산소량의 약 1천만분의 1에 해당하는 전도의 산소가 존재하며, 천문학자들 사이에서 얼음 사이에 생명체의 존재 가능성이 제기되고 있다.
> 4. 칼리스토: 칼리스토는 수성과 비슷한 크기와 질량을 가지며, 대부분이 얼음덩어리로, 수많은 크레이터를 가지고 있으며 4대 위성중 최외각 궤도를 가진다.

목성의 위성들은 대체로 순행의 반향으로 공전하지만, 궤도 경사각이 큰 경우, 역행 방향으로도 공전한다. 이는 목성의 생성 초기에 두 개의 모체가 있었을 가능성을 제기한다(?)

목성계:토성의 위성

토성의 주요 위성은 3가지 정도를 들 수 있다. 타이탄, 미마스, 엔셀라두스이다.

> 1. 타이탄: 타이탄의 크기는 수성과 유사하며, 표면 온도는 약 섭씨 –183도로, 대부분이 고체 메탄으로 구성된다. 태양계의 천체 중에서 그나마 대기의 상태가 지구와 가장 유사하며, 주요 대기의 성분은 질소, 대기압은 지구보다 작고 화성보다 크다.

> 2. 미마스: 노코멘트.

> 3. 엔셀라두스: 지름 약 500km, 궤도반지름 238,020km, 공전주기 1.37일의 행성이다. 예전에 KESO에 나와서 경곽 학생들을 대규모로 엿먹인 전적이 있다.

목성계:해왕성의 위성

해왕성의 위성 중 잘 알려진 8개의 위성 중에서, 6개는 행성에 가까운 정상궤도이고 2개는 이상한 궤도를 가진다.

해왕성의 위성 중 대표적인 위성인 트라이튼은 역행, 화산활동을 보이며, 명왕성과 상당히 유사하다.

해왕성의 고리는 좁고 희미하여 관측하기 어렵다.

행성의 대기와 위성이 차이가 나는 이유

물론 탈출 속도도 중요한 역할을 하고, 기체 분자들의 평균 운동 속도도 한 몫 한다.

기체 분자 운동론에서, 기체 분자들의 속도는 그 계(행성)의 온도의 제곱근에 비례하고 기체 분자의 질량의 제곱근에 반비례한다. [eqn: v= sqrt {{2nkT} over {m}}].

즉, 행성의 온도가 낮을수록, 기체 분자의 질량이 클수록 기체 분자의 평균 운동 속도는 감소한다.

이탈 속도에 해당하는 기체 분자의 영역도 놓치게 되었고, 또한 이탈 속도 이하더라도 온도 등의 조건에서 화학 반응등에 의해 기체가 소비된 경우도 있다.

목성형 행성과 지구형 행성의 비교:탈출 속도와 대기의 측면에서

태양계의 특징:정리

1. 모든 행성들은 태양을 중심으로 공전한다.

2. 모든 행성들은 태양의 자전 방향과 같은, 서->동의 방향으로 공전한다.

3. 모든 행성들은 타원 궤도를 가지나 이심률이 매우 작아 거의 원에 가깝다.

4. 거의 모든 행성들의 공전 궤도가 황도 평면에 위치한다.

5. 행성의 자전도 대부분 서->동의 방향이나, 금성의 경우는 예외로 동->서로 자전한다.

6. 안쪽의 4개 행성은 지구형 행성으로 주로 밀도가 높은 암석과 금속으로 구성되며, 바깥쪽의 4개 행성은 목성형 행성으로 주로 밀도가 낮은 기체 – 수소와 헬륨 등으로 구성되어 있다.

7. 거대 행성들 – 목성형 행성들의 크기나 궤도 모두는 지구형 행성에 비하여 수십배 정도 크다.

엠마누엘 칸트의 성운설

엠마누엘 칸트는 태초에 태양계가 원시 성운으로부터 발달하여 중심의 태양이 발달하는 과정에서 원반을 이루며 충돌로서 발달하였다는 성운설을 제시하였다.