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지구의 모양

지구를 구형의 천체라고 할 수 있지만 그 극반지름과 적도반지름이 같지 않기 때문에 완전한 구형이라고는 할 수 없다. 지구의 위도 1°의 길이는 이를 측정하는 위도에 따라 다소 다르며, 이러한 차이는 지구의 모양이 구형에서 벗어나 있음을 나타낸다. 뉴턴은 최초로 지구가 자전할 때 발생하는 원심력으로 적도 부근이 부풀어 올라 회전타원체(물체가 단축을 중심으로 자전할 때 형성되는 타원체)를 형성한다고 주장했다. 그러므로 지구는 적도 주변보다는 극 주변이 더욱 편평한 모양을 하게 되며, 따라서 위도 1°의 길이는 저위도 지방에서보다 고위도 지방에서 더 길다.

자전과 세차

지구는 365.25일에 태양 주위를 한 번 공전하므로 항성일(정확히 23시간 56분 4.09초)은 365일이 1년인 평균태양일보다 짧다. 천문관측에 의하면 지구는 1일의 길이에도 미세한 변화를 보인다. 1일 길이 변화의 주요요인으로는 지구 자전속도의 점진적인 감소로 인한 1일 길이의 점진적인 증가, 연중 또는 계절에 따라 일어나는 소규모의 변화, 소규모의 불규칙한 변화가 있다. 자전속도의 감소는 고대의 천문관측, 특히 고대의 일식과 월식의 관측으로 발견되었다. 자전속도가 감소하는 원인은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만 해양에서의 조석 마찰효과가 가장 큰 원인으로 생각된다. 지구-달 계의 각운동량은 보존되므로, 지구의 자전속도가 느려짐에 따른 각운동량(지구의 자전으로 발생하는 운동량)의 감소는 달의 궤도운동에서 증가되는 각운동량에 의해 상쇄되고 그결과 달의 궤도는 지구로부터 점차 멀어지는 경향을 띤다. 1일 길이의 계절적인 변화는 매우 작아서 1년에 수천분의 1초 정도에 불과한데, 이는 극지방에 있는 빙모의 크기 변화와 대기순환의 변화로 설명할 수 있다(→ 기울기).

지구 자전축의 방향은 외부의 영향이 없다면 일정하게 유지되어야 한다. 그러나 태양계 내의 다른 별들의 인력은 지구에 영향을 미치며, 특히 태양과 달의 인력은 지구에 상당한 영향을 미친다. 지구는 타원체이므로 달의 인력은 지축을 경사지게 하여 지축은 달의 궤도에 대해 수직하게 유도된다. 또한 영향력은 작지만 태양도 달과 비슷한 영향을 지구에 미친다. 그러나 지구는 이러한 인력의 영향을 받더라도 인력의 영향하에 완전히 구속되지는 않으며, 대신 지구의 자전축은 우주 공간에서 원추모양의 표면을 따라 움직이게 되는데, 이러한 자전축의 운동을 세차라고 한다. 세차운동은 BC 120년에 천문학자 히파르코스에 의해 발견되었으며, 17세기에 최초로 뉴턴에 의해 이론적으로 설명되었다. 세차운동으로 인해 자전축이 가리키는 별자리가 달라진다. 현재의 자전축은 북극성을 가리키고 있으나 지금으로부터 1만 2,000년 후에는 직녀성을 가리킬 것이다. 세차운동의 주기는 2만 6,000년이다. 세차운동은 천구상에서 태양의 궤도인 황도에 수직인 축을 기준으로 일어나며, 천구의 적도와 황도의 교점인 춘분점과 추분점을 이동시킨다. 세차운동에 의해 분점들은 매년 50.26″씩 이동한다. 한편 히파르코스 시대 이후에 일어난 분점들의 이동은 약 29°에 달하며, 따라서 고대의 그리스인들이 말한 태양의 연중 이동경로는 오늘날에는 더이상 들어맞지 않는다. 극의 이동경로는 일반적인 생각과는 달리 정확한 원궤도가 아니고 약간의 진동을 수반하는데, 주기 18.6년, 진폭 9.2″인 장동의 궤도를 따라 일어난다. 이렇게 극의 이동경로가 원궤도를 따르지 않는 이유는 지축의 경사가 일정하지 않기 때문으로 알려져 있다. 챈들러 진동은 지구의 회전으로 일어나는 또다른 현상이며, 매우 작은 진폭으로 436일의 주기를 갖고 일어나는 현상이다. 이는 지구 고체 부분의 미약한 변형 및 달과 태양의 인력으로 지구가 일그러지는 조석작용과 관계가 있다.

수치로 본 지구