하루 동안 북극성 주위의 별자리 움직임

【 실험 4 】하루 동안 북극성 주위의 별자리 움직임
          
□ 목표 : 하룻동안 북극성 주위의 별들의 움직이는 방향과 움직인 거리를 알 수 있다.

□ 미리 생각해 보기

  천체가 지구의 항성일(1일)을 주기로 지구 둘레를 회전하는 운동을 ‘일주운동’이라고 한다. 일주운동은 북극성을 중심으로 그 주위의 별들이 1일에 반시계 방향으로 1회전하는 것처럼 보인다.

□ 준비물 : 무늬가 없는 우산, 스티커

□ 활동과정

  ① 무늬가 없는 우산 안쪽에 북두칠성과 카시오페이아 자리를 스티커로 붙인다.
  ② 우산대를 지구 자전축이라고 생각하고 우산대를 왼쪽방향(반시계방향)으로 돌려서 별들이 어떤 모양을 만드는지 말해보자.  (나를 지구라고 생각하면 우산에 붙여진 스티커는 지구의 방향과 반대쪽으로 운동하므로 반시계방향으로 돌리는 것이다)

□ 과제 탐구

  1. 카시오페이아자리가 1바퀴 돌 때 24시간 걸렸다면 90°움직일 때는 몇 시간 걸렸다고 말할 수 있는가?
  2. 북두칠성을 이루는 각 별들은 우산대를 중심으로 어떤 모양을 그리며 회전하는가?
  3. 별의 일주 운동이 생기는 것은 지구의 어떤 운동과 관련이 있는가?

□ 참고 자료 : 별의 일주 운동 및 천구의 연주 운동

① 별의 일주 운동 : 별의 일주운동의 중심은 천구의 북극과 남극을 잇는 축이며, 일주운동의 방향은 북반구에서는 북극성을 중심으로 반시계 방향, 남반구에서는 시계방향이다.  일주운동에 의해 나타나는 궤적을 ‘일주권’이라고 하는데 극지방에서는 지평선과 평행하기 때문에 뜨고 지는 일이 없다. 적도지방에서는 지평선에 수직으로 뜨고 진다. 중위도지방에서는 비스듬히 뜨고 진다. 수동카메라 조리개를 북극성 방향으로 열어놓고 몇 시간 촬영하면 그림과 같이 별이 호를 그리며 움직여 간 사진을 얻을 수 있다.  지구의 자전은 자전축을 중심으로 1시간에 15°씩 서에서 동으로 하루에 한 바퀴씩 도는 현상을 말하는데 자전의 증거로는 낮과 밤이 생기는 현상, 별의 일주운동, 인공위성 궤도의 서편 현상으로 알 수 있다. 지구표면에서의 자전속도를 계산하면 시속 약 1000Km에 해당하는 아주 빠른 속도이다.
 * 인공위성 궤도의 서편현상 : 인공위성이 지구궤도를 1바퀴 돌 때마다 15도씩 서쪽으로 옮겨진다.

② 천구의 연주 운동 : 지구는 자전만 하는 것이 아니라 1년에 한 번씩 태양을 공전한다. 따라서 지구의 공전에 따른 천구의 상대적 시운동이 있게 된다. 이것을 천구의 '연주 운동'이라고 한다.
    이 운동에 의하여 몇 달이 지나면 밤하늘의 별자리는 변하게 된다.
  지구는 1년(약365일) 걸려서 태양을 1바퀴(360°)공전하므로 하루에 약 1°를 움직인다. 따라서 전날 자정에 남중하였던 별은 다음날 자정에 남중하지 않고  그림에서처럼 반드시 서쪽으로 약 1°치우쳐 있게 된다. 이는 별들이 매일 1°만큼 동쪽에서 일찍 떠오른다는 말과 같다. 지구의 자전을 기준으로 할 때 1°의 각거리는 약 4분에 해당된다.

  여기서 우리는 지구의 자전주기가 24시간이 아니라 이보다 약 4분 짧은 23시간 56분이라는 사실을 알게 된다.  왜냐하면 지구의 자전 주기는 태양보다 아주 먼 별을 기준으로 정의되어야 하기 때문이다. 그래서 24시간을 태양일, 약 23시간 56분을 항성일이라고 부른다.

  각거리 1°는 매우 작으므로 연주 운동의 효과는 며칠 사이에는 나타나지 않는다. 하지만 몇 달 후에는 연주운동의 누적에 의해서 밤하늘의 별자리가 모두 바뀐다. 예를 들어 봄철의 자정 중천에서 잘 보이던 별들도 석달 뒤 여름이 오면 약4분×90=360분=6시간이나 빨리 떠서 자정 무렵에는 서쪽 하늘에 낮게 떠있거나 곧 지게 된다. 중천엔 여름철 별자리들이 놓이게 된다.

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