달은 조금씩 지구에서 멀어지고 있는데 최종적으로 어떻게 될까?

달은 모양을 바꾸면서 옛날부터 인간의 삶에 관여해 왔습니다. 그런 달이 실은 매년 조금씩 멀어지고 있는데 달이 탄생했을 당시에는 지금의 17배 정도의 크기로 보였다고 합니다. YouTube의 과학채널 'SciShow'가 달과 지구의 거리와 그 미래에 대해 설명했습니다.

Will the Moon Ever Leave the Earth's Orbit?
https://www.youtube.com/watch?v=IM_euz9PUiw

달은 지구로부터 38만 4천 킬로미터 상공에서 안정적으로 돌고 있는데 달의 궤도는 매년 조금씩 커지고 있기 때문에 조금씩 멀어지고 있습니다. 평균적으로 일년에 3.8cm 정도로 손톱이 늘어나는 속도입니다.

그러나 이 속도는 45억 년 전에 달이 생겼을 때와 비교하면 크게 다릅니다. 시뮬레이션에 따르면 그 당시는 지금보다 2만2500㎞나 가까웠고 17배나 크게 보였다고 합니다.

이 상태로 달이 멀어져 가면 언젠가 지구의 중력권을 벗어나 버릴 것이라고 생각할지도 모릅니다. 하지만 이 멀어져 가는 움직임은 동시에 사라지는 것이 아니라는 점도 설명하고 있습니다. '각운동량 보존의 법칙'이라고 불리는 것입니다.

물리학에서 각운동량이란 돌기 시작한 것이 계속 돌려고 하는 힘으로 정의됩니다. 피겨스케이트 선수처럼 하나의 물체도 지구와 달처럼 여러 물체가 함께 움직이는 경우에도 성립합니다.

각운동량은 두 가지 요소로 결정됩니다. 질량이 어떻게 분포하고 있는지, 어느 정도의 속도로 도는가입니다. 운동량이 보존된다는 것은 같은 상태를 유지하고 있다는 것입니다. 만약 회전속도가 바뀌었다면 그 속도변화분만큼 질량분포도 바뀌었다는 것입니다.

그 반대도 일어날 수 있습니다. 회전하는 피겨스케이트 선수가 팔을 펼치면 회전속도가 떨어집니다. 이것은 각운동량 보존의 법칙입니다. 팔을 펼치는 것은 팔의 질량이 몸에서 멀어지기 때문에 결과적으로 각운동량이 커져 버립니다. 각운동량을 동일하게 하기 위해서 회전속도가 느려지면서 증가한 분을 채운 것입니다.

같은 일이 지구와 달 사이에서 일어납니다. 현재는 달의 중력이 지구를 끌고 있어서 만조가 발생합니다. 하지만 지구의 자전은 달의 궤도보다 빠르기 때문에 조수의 팽창은 달보다 앞서 나옵니다. 달에 당겨지면 지구의 자전이 느려집니다. 뉴턴이 규명했는데 두 개의 정반대의 힘이 항상 균형을 이루고 있어서 지구는 달을 끌어당기면서 동시에 따라잡으려고 합니다.

이러한 일련의 과정 중 지구는 그 내부에서의 움직임이나 바다의 마찰로 인해 많은 에너지를 잃고 자전속도가 느려집니다.

지구의 자전이 늦어지면 지구와 달의 질점계에서의 질량이 바깥쪽, 즉 달의 쪽으로 이동합니다. 이 지구와 달의 인장이 계속되면 이론적으로는 수백억 년 후에 지구의 자전과 달의 궤도가 일치해집니다. 하루의 길이와 궤도가 멀어진 달의 1개월, 약 6주 정도로 일치해집니다. 달의 한 면밖에 볼 수 없는 상태로 지구도 같은 면을 달에 향한 채 계속됩니다. 이것은 '조수 고정'이라고 부릅니다.

이렇게 되면 지구의 만조가 달의 방향으로 향하게 되어 더 이상 멀어지는 일은 없어집니다. 하지만 불행히도 20억 년 후에는 태양이 붉은 거성이 되어 지구와 달을 삼켜 버릴 것입니다.