지구의 하루는 왜 길어지는 것일까?(2015, 고2, 9월)*

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산호 화석에 나타난 미세한 성장선을 세면 산호가 살던 시기의 1년의 날수를 알 수 있다. 산호는 낮과 밤의 생장 속도가 다르기 때문에 하루의 변화가 성장선에 나타나고 이를 세면 1년의 날수를 알 수 있는 것이다. 이런 방법으로 웰스는 약 4억 년 전인 중기 데본기의 1년이 지금의 365일보다 더 많은 400일 정도임을 알게 되었다. 1년의 날수가 줄어들었다는 것은 지구의 하루가 길어졌다는 말이 된다.

그렇다면 지구의 하루는 왜 길어지는 것일까? 그것은 바로 지구의 자전이 느려지기 때문이다. 지구의 자전은 달과 밀접한 관련을 맺고 있다. 지구가 달을 끌어당기는 힘이 있듯이 달 또 한 지구를 끌어당기는 힘이 있다. 달은 태양보다 크기는 작지만 지구와의 거리는 태양보다 훨씬 가깝기 때문에 지구의 자전에 미치는 영향은 달이 더 크다. 달의 인력은 지구의 표면을 부풀어 오르게 한다. 그리고 이 힘은 지구와 달 사이의 거리에 따라 다르게 작용하여 달과 가까운 쪽에는 크게, 그 반대쪽에는 작게 영향을 미치게 된다. 결국 지구 표면은 달의 인력과 지구-달의 원운동에 의한 원심력 * 의 영향을 받아 그림처럼 양쪽이 부풀어 오르게 된다.

이때 달과 가까운 쪽 지구의 ‘부풀어 오른 면’은 지구와 달을 잇는 직선에서 벗어나 지구 자전 방향으로 앞서게 되는데, 그 이유는 지구가 하루 만에 자전을 마치는데 비해 달은 한 달 동안 공전 궤도를 돌기 때문이다. 달의 인력은 이렇게 지구 자전 방향으로 앞서가는 부풀어 오른 면을 반대 방향으로 다시 당기고, 그로 인해 지구의 자전은 방해를 받아 속도가 느려진다. 한 편 지구보다 작고 가벼운 달의 경우에는 지구보다 더 큰 방해를 받아 자전 속도가 더 빨리 줄게 된다.

이렇게 지구와 달은 서로의 인력 때문에 자전 속도가 줄게 되는데, 이 자전 속도와 관련된 운동량은 ‘지구-달 계’ * 내에서 달의 공전 궤도가 늘어나는 것으로 보존된다. 왜냐하면 일반적 으로 외부에서 작용하는 힘이 없다면 운동량은 보존되기 때문이다. 이렇게 하여 결국 달의 공전 궤도는 점점 늘어나고, 달은 지구로부터 점점 멀어지는 것이다.

실제로 지구의 자전 주기는 매년 100만 분의 17초 정도 느려지고 달은 매년 38㎜씩 지구에서 멀어지고 있다. 이처럼 지구의 자전 주기가 점점 느려지기 때문에 지구의 1년의 날수는 점차 줄어들 수밖에 없다. 그러나 이렇게 느려지더라도 하루가 25시간이 되려면 2억 년은 넘게 시간이 흘러야 한다.

* 지구-달의 원운동에 의한 원심력 : 지구-달의 공통 질량 중심을 기준으로 회전하는 원운동에 의해 생기는 힘으로, 지구의 모든 지역에서 힘의 크기는 동일함.

* 지구-달 계 : 태양이나 다른 천체의 영향력이 없다고 가정한, 지구와 달로 이루어진 계.

― (출전) 스티븐 제이굴드, ‘판다의 엄지’

이해를 돕는 문항

27. 윗글의 내용 전개 방식으로 가장 적절한 것은?

① 현상에 대한 이론의 변화를 통시적으로 고찰하고 있다.

② 현상에 대한 문제점을 지적하고 해결 방안을 제시하고 있다. 

③ 현상이 일어나는 원인을 밝히고 미래의 상황을 예측하고 있다.^[각주:1]

④ 현상과 관련된 다양한 이론을 병렬식으로 나열하여 소개하고 있다.

⑤ 현상과 관련된 이론의 한계를 분석하고 새로운 가설을 제안하고 있다.

28. 윗글을 바탕으로 <보기>의 A~E에 대해 설명할 때, 적절하지 않은 것은?

< 보 기 >

① 달의 인력과 지구-달의 원운동에 의한 원심력으로 A가 나타난다. 

② B의 주기가 D의 주기보다 빨라 A가 지구와 달을 잇는 직선에서 벗어나 앞서게 된다.

③ B의 진행 방향으로 앞서 나간 A를 달의 인력이 그 반대 방향으로 다시 끌어당긴다.

④ 지구의 인력이 달에 작용하여 C의 속도가 느려진다.

⑤ 운동량을 보존하기 위해 D의 궤도와 E는 점점 줄어든다.^[각주:2]

29. 윗글을 통해 알 수 있는 내용으로 가장 적절한 것은? [3점]

① 인력의 크기는 지구와 달의 거리에 비례하여 커지는군.

② 지구의 자전 속도가 느려질수록 1년의 날수가 늘어나는군. 

③ 달은 지구와 멀어지며 ‘지구-달 계’의 운동량을 줄이게 되는군. 

④ 달의 인력이 지구에 미치는 힘은 지구의 모든 부분에 일정하게 작용하는군.

⑤ 달과 반대쪽의 지구 표면이 부풀어 오른 것은 달의 인력보다 지구-달의 원운동에 의한 원심력의 영향이 크기 때문이군.^[각주:3]

1. 이 글은 1년의 날수가 늘어나는 현상의 이유를 지구의 자전 속도 변화에서 찾고 있으며, 이 현상이 지속될 경우 나타날 상황을 예측하고 있다. [본문으로]
2. 운동량을 보존하기 위해서는 달의 공전 궤도가 늘어나고 지구와 달의 거리는 멀어져야 한다. [본문으로]
3. 2문단을 통해 달과 반대편 지구의 표면이 부풀어 오른 이유는 지구-달의 원운동에 의한 원심력보다 달의 인력이 작게 영향을 미치기 때문임을 알 수 있다. [본문으로]