하루 두 번 밀려왔다 빠지는 밀물과 썰물. 이 현상은 달의 중력이 지구를 잡아당기며 생기는 조석력 때문입니다. 중력의 미묘한 차이가 만드는 조석력의 원리와 우주에서 벌어지는 극적인 조석 효과를 알아봅니다. 오늘은 본문에서 조석력과 기조력의 비밀, 달이 바닷물을 끌어올리는 힘에 대해서 살펴보겠습니다.
조석력과 기조력의 비밀
1994년 슈메이커-레비 9 혜성이 목성에 충돌하기 전, 놀라운 일이 일어났다. 혜성이 21조각으로 찢어졌다. 목성 중력이 혜성을 산산조각 냈다. 조석력 때문이었다. 목성에 가까운 쪽과 먼 쪽의 중력 차이가 혜성을 찢었다. 이게 조석력이다. 천체가 다른 천체에 미치는 중력이 위치에 따라 다를 때 생기는 힘이다. 지구에서 가장 친숙한 조석 현상은 밀물과 썰물이다. 하루에 두 번 바닷물이 밀려왔다 빠진다. 달의 조석력 때문이다. 달이 지구를 잡아당긴다. 하지만 지구 전체를 똑같이 당기진 않는다. 달에 가까운 쪽이 더 강하게 당겨진다. 먼 쪽은 약하게 당겨진다. 이 차이가 조석력이다. 달에 가까운 쪽 바다가 부풀어 오른다. 달 중력이 강하기 때문이다. 놀랍게도 반대쪽 바다도 부풀어 오른다. 왜일까. 지구 중심은 달 쪽으로 당겨진다. 하지만 반대쪽 바다는 덜 당겨진다. 상대적으로 뒤처진다. 결과적으로 바깥쪽으로 부풀어 오른다. 지구에 두 개의 물결 봉우리가 생긴다. 지구가 자전하며 각 지역은 하루 두 번 물결 봉우리를 지난다. 그래서 하루에 밀물이 두 번이다. 태양도 조석력을 일으킨다. 달보다 훨씬 무겁지만 멀리 있다. 조석력은 거리의 세제곱에 반비례한다. 태양 조석력은 달의 절반 정도다. 달과 태양이 일직선에 있으면 조석력이 합쳐진다. 사리라 부른다. 밀물이 더 높고 썰물이 더 낮다. 직각에 있으면 조석력이 상쇄된다. 조금이라 부른다. 밀물이 낮고 썰물이 높다.
로슈 한계와 토성 고리의 탄생
조석력에는 한계가 있다. 로슈 한계라 부른다. 천체가 다른 천체에 너무 가까이 오면 조석력이 자체 중력보다 강해진다. 천체가 찢어진다. 프랑스 천문학자 에두아르 로슈가 계산했다. 로슈 한계는 큰 천체 반지름의 2.5배 정도다. 정확한 값은 밀도와 강성에 달렸다. 단단한 천체는 더 가까이 올 수 있다. 느슨한 천체는 멀리서도 찢어진다. 토성 고리가 로슈 한계의 증거다. 고리는 토성에서 13만 킬로미터 이내에 있다. 로슈 한계 안쪽이다. 얼음과 암석 조각들이 모여있다. 위성이 될 수 없다. 조석력이 뭉치는 걸 방해한다. 원래 위성이 조석력으로 부서진 것일 수도 있다. 아니면 처음부터 뭉치지 못한 것일 수도 있다. 목성, 천왕성, 해왕성 고리도 같은 원리다. 달도 조석력을 받는다. 지구가 달을 잡아당긴다. 달은 단단해서 찢어지진 않는다. 하지만 조금씩 변형된다. 달이 타원형으로 늘어난다. 긴 축이 지구를 향한다. 이게 조석 고정이다. 달은 항상 같은 면만 지구에 보인다. 자전 주기와 공전 주기가 같다. 조석력이 달 자전을 늦췄다. 수십억 년에 걸쳐 동기화됐다. 명왕성과 카론도 서로 조석 고정됐다. 서로 같은 면만 본다. 쌍둥이 춤을 춘다. 지구도 영향을 받는다. 달 조석력이 지구 자전을 늦춘다. 바닷물이 지구 표면을 문지른다. 마찰로 에너지가 손실된다. 지구 자전이 느려진다. 하루가 길어진다. 매년 1.7밀리초씩이다. 미미하지만 누적되면 크다. 4억 년 전엔 하루가 21시간이었다. 공룡 시대엔 23시간이었다. 먼 미래엔 하루가 한 달이 될 것이다. 지구도 달에 조석 고정된다. 수십억 년 후의 일이다. 달이 멀어지는 것도 조석력 때문이다. 지구 자전이 느려지며 각운동량이 달로 전달된다. 달 궤도가 커진다. 매년 3.8센티미터씩 멀어진다. 레이저 반사경으로 정밀 측정했다. 아폴로가 설치했다.
조석 가열과 생명 가능성
조석력은 열을 만든다. 조석 가열이라 부른다. 천체가 조석력으로 변형되며 내부 마찰이 생긴다. 열이 발생한다. 목성 위성 이오가 대표적이다. 이오는 태양계에서 화산 활동이 가장 활발한 천체다. 400개 이상의 활화산이 있다. 용암이 분출하고, 황 화합물이 표면을 덮는다. 왜 그럴까. 목성 조석력 때문이다. 이오는 목성에 매우 가까이 있다. 조석력이 엄청나다. 게다가 유로파, 가니메데와 궤도 공명을 한다. 이오가 두 바퀴 돌 때 유로파는 한 바퀴, 가니메데는 반 바퀴 돈다. 중력이 주기적으로 당긴다. 이오가 늘어났다 줄어들었다 반복한다. 내부가 뜨거워진다. 열로 녹는다. 화산이 폭발한다. 표면 온도는 영하 143도지만 용암은 1,600도다. 유로파도 조석 가열을 받는다. 이오보다 약하지만 중요하다. 유로파 표면은 얼음으로 덮였다. 하지만 밑에 액체 물 바다가 있다. 조석 가열로 얼음이 녹았다. 바다 깊이는 100킬로미터로 추정된다. 지구 모든 바다보다 물이 많다. 생명 가능성이 있다. 열과 물과 유기물이 있다. 생명의 조건이다. NASA는 유로파 클리퍼 탐사선을 보냈다. 2030년 도착 예정이다. 바다를 조사한다. 토성 위성 엔셀라두스도 비슷하다. 남극에서 간헐천이 뿜어진다. 지하 바다의 물이다. 조석 가열로 얼음이 녹았다. 카시니가 샘플을 채취했다. 소금, 유기물, 수소가 검출됐다. 생명 가능성이 높다. 조석력은 파괴적이기도 하다. 블랙홀 근처에선 극단적이다. 스파게티화 현상이 일어난다. 천체가 블랙홀에 가까워지면 조석력이 엄청나다. 앞쪽이 뒤쪽보다 훨씬 강하게 당겨진다. 천체가 면발처럼 늘어난다. 결국 찢어진다. 별도 예외가 아니다. 블랙홀이 별을 삼킬 때 조석력으로 먼저 찢는다. 조석 파괴 사건이라 부른다. 밝은 섬광이 발생한다. 2019년 6억 광년 떨어진 곳에서 관측됐다. 초신성보다 밝았다. 조석력은 우주 도처에서 작동한다. 은하끼리 충돌할 때도 조석력이 중요하다. 별들이 찢겨 나가 조수 꼬리를 만든다. 수만 광년 길이다. 안드로메다와 은하수가 충돌할 때도 일어날 것이다. 40억 년 후의 일이다. 조석력. 중력의 미묘한 차이가 만드는 힘이다. 밀물과 썰물부터 화산과 생명까지. 우주의 드라마를 만든다.