지구과학실험

실험 2. 광물의 관찰

실험 2. 광물의 관찰

개관

(1) 광물(鑛物)의 정의

광물은 일정한 화학 조성과 규칙적인 원자 배열을 갖고 있는 결정질 고상(固相)으로서 자연에서 무기적(無機的) 과정에 의해 생성된 것으로 정의한다. 광물은 그것을 이루는 원소의 종류와 원자의 배열에 따라 종류가 달라지며, 현재까지 알려진 광물은 약 4,800여 종에 이른다.

인조 금강석, 유리, 설탕 등은 인공적인 것이므로 광물로 취급하지 않으며, 수은은 액체이고 시모넬라이트 (C15H20)와 웨델라이트(CaC2O4·2H2O) 등은 유기 화합물이지만 광물로 취급한다. 석영, 정장석, 사장석, 감람석, 휘석, 각섬석, 운모, 방해석 등 수십 종의 광물이 지각을 주로 구성하고 있는데, 모든 광물이 고르게 분포되어 있는 것은 아니다.

(2) 광물의 종류

광물은 그것을 구성하는 기본 단위인 원소의 종류에 따라 다음 표와 같이 분류할 수 있다.

원소 광물

금[Au] , 황 [S] , 금강석 [C] 등

 

 

 

 

 

 

화합물 광물

규산염 광물

사장석, 정장석, 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모, 석영 [SiO2]  등

탄산염 광물

방해석 [CaCO3] , 능철석 [FeCO3] , 마그네사이트 [MgCO3]  등

황산염 광물

석고 [CaSO4·2H2O] , 중정석 [BaSO4]  등

황화 광물

방연석 [PbS] , 황동석 [CuFeS2] , 황철석 [FeS2] , 진사 [HgS]  등

산화 광물

적철석 [Fe2O3] , 강옥 [Al2O3]  등

할로겐화 광물

암염 [NaCl] , 형석 [CaF2]  등

(3) 광물의 성질

광물을 정확하게 분류하기 위해서는 광물의 성질을 알아야 한다. 광물의 성질은 크게 물리적 성질, 화학적 성질, 광학적 성질로 구분할 수 있다. 물리적 성질은 색, 조흔색, 광택, 쪼개짐과 깨짐, 비중, 굳기, 자성 등이다. 화학적 성질은 광물의 화학 조성과 관련된 성질이며, 광학적 성질은 빛이 광물을 통과하며 나타나는 성질이다.

광물을 감정하고 분류하는 데 이용되는 물리적 성질과 간단한 화학적 성질은 다음과 같다.

① 결정형: 광물이 성장할 때 성장에 방해를 받지 않은 경우 광물마다 독특한 외형을 나타내게 되는데, 이를 결정 형이라고 한다.

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<석영-육각기둥 모양>

 <정장석-두꺼운 판 모양> <흑운모-얇은 판 모양> <방해석-능면체 모양>

② 색: 광물이 화학 조성과 결정 구조, 불순물, 물리적 효과 등에 의해 가시광선 중 어느 파장의 빛을 흡수하느냐 또 는 반사하느냐에 따라 광물의 색이 달라진다. 순수한 광물의 색을 자색, 광물속에 포함된 불순물이나 결합 구조에 의한 색을 타색이라고 한다. 예를 들어 석영의 자색은 투명하지만, 미량의 철(Fe)에 의해 보라색, 망가니즈(Mn)에 의해 연분홍 등 타색이 나타난다.

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<석영> <황수정> <자수정> <장미수정> <흑수정>

③ 조흔색: 조흔색은 광물을 초벌구이 백색 자기판인 조흔판에 긁었을 때 나타난 광물 분말의 색이다. 조흔판의 굳 기는 약 7이므로 조흔판보다 굳기가 더 큰 광물의 조흔색은 알아내기 어렵다. 조흔색은 비금속 광물보다는 색이 같거나 비슷한 금속 광물들을 구별하는 데 효과적이다.

광물

색

조흔색

광물

색

조흔색

금

황색

연한 황색

자철석

흑색

흑색

황철석

연한 황색

흑색

적철석

암흑색

적갈색

황동석

진한 황색

녹흑색

갈철석

암갈색

황갈색

④ 광택: 광택은 광물의 표면에서 반사된 빛이 우리 눈에 주는 느낌을 말한다. 금속 광택과 비금속 광택이 있으며, 이 두 가지 광택의 중간에 해당하는 것을 아금속 광택이라고 한다. 금속 광택은 불투명 광물이 보여 주는 반짝이 는 광택을 말한다. 비금속 광택은 비금속 광물에서 관찰할 수 있는 것으로, 금강 광택, 견사 광택, 유리 광택, 진 주 광택, 지방 광택, 토상 광택 등이 있다.

⑤ 투명도: 투명도는 광물에 빛이 통과되는 정도를 말하며 투명, 반투명, 불투명으로 구분된다. 투명은 광물을 통 하여 그 뒤에 있는 물체의 윤곽이 완전히 보이는 것이고, 반투명은 빛은 통과하나 그 뒤쪽에 있는 물체가 보이지 않는 경우이다. 불투명은 광물이 아무리 얇아도 빛이 통과하지 않는 경우이다.

⑥ 형광과 인광: 광물이 자외선, X선 또는 음극선에 노출되어 빛을 발하는 현상을 형광이라고 하고, 자극 에너지 를 제거한 후에도 수초 내지 수일간 발광이 계속되면 이를 인광이라고 한다.

⑦ 쪼개짐(벽개)과 깨짐: 광물이 물리적 충격을 받을 때 일정한 방향으로 갈라지는 성질을 쪼개짐, 일정한 방향 없이 불규 칙하게 깨어지는 성질을 깨짐이라고 한다. 쪼개짐은 광물을 구성하고 있는 원자들의 배열 상태, 즉 결정 구조에 따라 다르게 나타나며, 깨짐은 깨진 면의 모양에 따라 패각상, 평탄, 불평탄, 침상, 섬유상, 토상 등으로 구분된다.

⑧ 굳기(경도): 광물의 단단한 정도를 굳기라고 한다. 모스(Mohs)는 굳기가 가장 약한 것을 1, 가장 강한 것을 10 으로 하여 구분하였다. 이때 굳기는 상대적인 값이며, 모스 굳기계는 다음 표와 같다.

굳기

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

표준 광물

활석

(talc)

석고

(gypsum)

방해석

(calcite)

형석

(florite)

인회석

(apatite)

정장석

(orthoclase feldspar)

석영

(quartz)

황옥

(topaz)

강옥 (corundum)

금강석 (diamond)

비교 물질

종이에 긁힘

손톱(2.5)

동전(3)

쇠못(4.5)

유리(5.5)

줄칼(6.5)

 

 

 

 

⑨ 비중: 같은 부피의 4c C 물의 질량에 대한 광물의 질량비를 비중이라고 한다. 금속 광물의 경우 비중이 4 이상 인 경우가 많다.

⑩ 자성: 자석에 붙거나 철을 끌어당기는 성질이며, 자철석이 대표적으로 자성을 띠는 광물이다.

⑪ 염산 반응: 광물에 묽은 염산을 떨어뜨렸을 때 거품이 발생하는 성질로서 탄산염 광물의 특징이다.

실험 2. 광물의 관찰

방법

(1) 목표

광물의 물리적 성질과 화학적 성질을 이용하여 여러 가지 종류의 광물을 분류할 수 있다.

(2) 준비물

모스 굳기계 광물 표본, 조흔판, 칼, 유리, 망치, 자석, 돋보기(루페), 묽은 염산, 전자저울, 눈금실린더, 물, 각종 광물 표본(석영, 정장석, 사장석, 흑운모, 자철석, 적철석, 황철석, 황동석, 방해석 등), 보안경

(3) 과정

  1. 광물의 색을 관찰한다.
  2. 광물의 신선한 면을 밝은 곳에 놓고, 빛이 반사될 때 광택을 관찰한다.
  3. 광물을 조흔판에 그어서 조흔색을 조사한다.
  4. 광물을 통해 물체가 보이는지 투명도를 알아본다.
  5. 모스 굳기계의 광물과 손톱, 동전, 칼, 유리 등을 이용하여 광물의 굳기를 정한다.
  6. 광물에 충격을 주어 쪼개짐과 깨짐을 판단한다.
  7. 광물에 자석을 가까이 대어 광물이 끌리는지 알아본다.
  8. 비중을 측정해 본다.
  9. 묽은 염산을 떨어뜨려 반응의 유무를 판단한다.
  10. 위의 과정을 관찰한 후 광물명을 결정한다.

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<조흔색> <굳기 비교> <쪼개짐> <자성> <염산 반응>

(4) 유의점

실험 2. 광물의 관찰

결과 및 토의

(1) 관찰한 결과를 다음과 같이 표로 정리해 보자.

표본 번호

색

광택

조흔색

투명도

굳기

쪼개짐 깨짐

자성

비중

염산 반응

기타 특성

광물명

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2) 염산과 반응을 일으키는 광물은 어느 것인가? 반응을 화학식을 써서 설명해 보자.

(3) 광물을 분류할 때 이 실험에서 제시한 물리적 또는 화학적 성질을 관찰하는 방법 이외에 다른 방법이 있다면 그것들을 제시 하고 설명해 보자.

(4) 보석 광물을 감정하는 데 이용되는 광물의 물리적 성질을 조사해 보자.

실험 2. 광물의 관찰

3D 광물 관찰 (모스굳기계)

활석 (talc)

Talc #15132 06-24-2020 by rocksandminerals on Sketchfab

석고 (gypsum)

Gypsum by EDUROCK – EDUCATIONAL VIRTUAL ROCK COLLECTION on Sketchfab

방해석 (calcite)

Calcite by EDUROCK – EDUCATIONAL VIRTUAL ROCK COLLECTION on Sketchfab

형석 (fluorite)

Mineral: Fluorite by Digital Atlas of Ancient Life on Sketchfab

인회석 (apatite)

Apatite by EDUROCK – EDUCATIONAL VIRTUAL ROCK COLLECTION on Sketchfab

정장석 (orthoclase feldspar)

Orthoclase Feldspar by Digital Atlas of Ancient Life on Sketchfab

석영 (quartz)

Quartz by EDUROCK – EDUCATIONAL VIRTUAL ROCK COLLECTION on Sketchfab

황옥 (topaz)

Translucent Topaz with pale bluish color by Museum of Mineralogy and Petrography, UAIC on Sketchfab

강옥 (corundum)

corundum by rockdoc on Sketchfab

금강석 (diamond)

금강석은 3D가 없어요 ㅠ;

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실험 2. 광물의 관찰

3D 광물 관찰 (규산염광물)

감람석 (olivine)

olivine by rockdoc on Sketchfab

휘석 (pyroxene)

Pyroxene andesite, Spain by Sara Carena on Sketchfab

각섬석 (amphibole)

UBC EOSC 210 Amphibole by UBC EOSC 210 on Sketchfab

흑운모 (biotite)

Biotite by Earth Sciences, University of Newcastle on Sketchfab

석영 (quartz)

Quartz crystal by Earth Sciences, University of Newcastle on Sketchfab

실험 3. 암석의 육안 관찰

실험 3. 암석의 육안 관찰

개관

주어진 암석들의 여러 특징들을 잘 살펴보고 그 암석이 화성암, 퇴적암, 변성암 중 어떤 암석인지를 결정해보자. 암석은 생성 당시의 형태로 있는 것이 아니라 여러 요인에 의하여 화성암, 변성암, 퇴적암의 상태로 변한다. 암석이 지하 깊은 곳에서 높은 온도와 압력의 영향을 받으면 전부 또는 부분적으로 용융되어 마그마로 변하며, 마그마는 지표나 지각 내에서 냉각되어 화성암이 된다. 화성암이 지표에서 풍화와 침식 작용을 받으면 퇴적물이 형성되고, 퇴적물은 운반되어 퇴적암을 만든다. 퇴적암이 지각 변동에 의해 높은 열과 압력을 받으면 변성암이 된다. 그리고 변성암이나 퇴적암이 녹아 마그마가 되고 마그마가 식어 화성암이 된다. 이를 암석의 순환이라 하며 오랜 지질시대에 걸쳐 일어난다. 암석을 결정함으로써 우린 암석의 생성환경 및 연령측정 등을 통해 과거의 역사를 밝히는 데에 기초가 된다. 암석을 결정하는 일은 쉬운 일은 아니지만 인내심을 갖고 시도해 본다면 여러분들도 성공할 것이다.

<표 1> 암석의 주요 특징

화

성

암

∙맞물린 결정 조직을 가지고 있다

∙높은 온도에서 안정한 광물로 구성되어 있다. (석영, 장석, 각섬석, 휘석, 감람석, 흑운모, 백운모 등)

∙보통 단단하고 밀도가 크다

∙여러 가지 색과 입자 크기를 가지고 있다.

퇴적암

쇄설성

∙맞물린 결정 조직이 없고 여러 개의 둥글게 마모된 파편들로 구성되어 있다.

∙낮은 온도의 광물 성분을 가지고 있다.

비쇄설성

∙전형적으로 결이 고운 결정 조직을 가지고 있다.

∙낮은 온도의 광물종으로 구성되어 있다. (방해석, 석고, 암염)

∙여러 가지 색깔을 가지고 있다.

변

성

암

∙대부분 엽리 구조를 가지고 있다.

∙흑운모, 백운모, 녹니석, 석영과 같은 광물이 많다. 장석은 화성암에 비해서 적은 편이다.

∙석류석, 남정석, 규선석, 홍주석과 같은 지시 광물들을 포함하고 있다.

∙다양한 색과 입자 크기를 가지고 있다.

<표 2> 화성암의 분류

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<표 3> 퇴적암의 분류

기원

주성분 광물, 또는 암석 성분

특징

암석명

쇄설성 퇴적암

거력(4～64mm), 세력(2～4mm)의 암편 및 모래

각진 암편으로 구성

각력암

원형 또는 타원형의 암편이 사질 바탕에 박혀 있음.

역암

석영모래와 장석모래

(1/16～2mm)

각진 장석이 주로 된 암석

알코즈사암

석영모래

주로 석영모래로 구성된 암석으로 표면은 사포의 느낌을 줌. 괴상 또는 층리 발달

석영사암

진흙(1/256mm이하)

점토광물과 석영

간혹 손톱으로 긁힐 정도로 무르다.

보통 층리 발달

세일

화학적 및

유기적 퇴적암

CaCO3

치밀한 괴상, 회～흑색, HCl반응 활발

석회암

Ca, Mg(CO3)2

치밀한 괴상, 회～흑색 HCl 반응 미약

백운암

SiO2

매우 단단하여 유리를 긁는다. 패각상 깨짐, HCl 반응 안함

쳐트

< 표 4 > 변성암의 분류

엽리의 발달 정도

구조, 특징

구성광물 및 성분

암석명

엽리가 발달 된 것

편상구조 및 편마상구조

석영, 장석, 운모, 각섬석, 석류석

편마암

편리

흑운모, 백운모, 녹니석, 각섬석, 장석

편암

판상

점토광물, 녹니석, 운모, 석영

점판암

엽리가 발달되지 않은 것

입상

주로 CaCO3로 구성됨, HCl 반응 활발

대리암

입상 매우 치밀하고 단단하며 때로는 엽리가 발달되기도 함

주로 석영으로 구성됨

규암

혼펠스, 치밀 견고

구성 광물이 다양함

혼펠스

< 표 5 > 조암광물의 특징

광물

물리적 특징

정장석

∙ 일반적으로 등립질 입자이다.

∙ 흰색 내지 핑크색이다.

∙ 거의 직각에 가까운 두 방향의 쪼개짐이 있다.

사장석

∙ 대체로 얇고 긴 모양의 입자이다.

∙ 대부분이 흰색 또는 회색이며, 드물게 약간의 녹색을 띄는 것도 있다.

∙ 거의 직각에 가까운 두 방향의 쪼개짐이 있다.

∙ 쪼개진 면에 평행한 표시가 있다.

석영

∙ 항상 뚜렷한 모양을 갖지 못하나 입자라고 하기 어려운 입자가 엉겨 있기도 한다.

∙ 색이 없거나 유리로 산출된다.

∙ 쪼개짐이 없다.

감람석

∙ 작고, 둥근 모양의 입자이다.

∙ 옅은 녹색이며 유리모양으로 산출된다.

∙ 쪼개짐이 없다.

각섬석

∙ 긴 모양의 입자이다.

∙ 검거나 흑록색이다.

∙ 직각이 아닌 두 방향의 쪼개짐이 있다.

흑운모

∙ 납작하고 얇게 벗겨지는 입자이다.

∙ 검거나 암갈색이다.

∙ 한 방향의 완전한 쪼개짐이 있다.

백운모

∙ 납작하고 얇게 벗겨지는 입자이다.

∙ 옅은 녹색이거나 은백색이다.

∙ 한방향의 완전한 쪼개짐이 있다.

 

실험 3. 암석의 육안 관찰

방법

1.1. 주어진 각 암석의 광물을 결정한다.

1.2. 암석의 조직(결정체, 쇄설성, 엽리 등)을 기술한다.

1.3. 분류의 기준으로 암석의 조직 및 특징을 사용하여 암석을 분류한다.

1.4. 관찰 사항을 암석 분류표에 기재한다.

실험 3. 암석의 육안 관찰

결과

(1) 화성암의 겉보기 특징

화산암

 

 

반심성암

 

 

심성암

 

 

(2) 퇴적암의 겉보기 특징

쇄설성 퇴적암

 

 

화학적 퇴적암

 

 

유기적 퇴적암

 

 

(3) 변성암의 겉보기 특징

엽리성 변성암

 

 

비엽리성 변성암

 

 

(3) 암석 특징표

※ 핸드아웃에 제시된 3D 표본, 온라인 상에서 검색한 다른 표본 모두 기재 가능합니다.

※ 총 6개의 암석에 대해 작성하세요.

암석의 이름

사암 (예시)

현무암 (예시)

 

사진(혹은 3D URL)

https://sketchfab.com/3d-models/sandstone-c7c36cc003c348f3ba68ff47e4b907fa

https://sketchfab.com/3d-models/basalt-var-scoria-8f2e33fcb5fa48e490f207986bb6ee7a

 

암석의 분류

 쇄설성 퇴적암

화성암 (심성암)

 

기공의 유무

없음

있음

 

조직

쇄설성 조직

세립질 조직

 

퇴적구조의 유무

층리

없음

 

엽리구조의 유무

없음

없음

 

관찰되는 조암광물

석영, 각섬석, 흑운모

휘석

 

 

실험 3. 암석의 육안 관찰

화성암 3D 관찰

화성암(火成岩; igneous rock)

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화산암(火山岩; volcanic rock)

현무암(玄武岩; basalt)

Scoriaceous basalt, Spain by Sara Carena on Sketchfab

안산암(安山岩; andesite)

Mt. Saint Helens andesite by Nichole Moerhuis (UBC Geology) on Sketchfab

유문암(流紋岩; rhyolite)

Rhyolite, Vulcano, Italy by callanbentley on Sketchfab

반심성암(半深成岩; hypabyssal rock)

휘록암(輝綠岩; diabase)

Diabase by EDUROCK – EDUCATIONAL VIRTUAL ROCK COLLECTION on Sketchfab

섬록 반암(閃綠斑岩; diorite porphyry)

RD-2 (Reko Diq Porphyry) by Nichole Moerhuis (UBC Geology) on Sketchfab

석영 반암(石英斑岩; quartz porphyry)

Quartz porphyry by Sara Carena on Sketchfab

심성암(深成岩; plutonic rock)

반려암(斑糲岩; gabbro)

Gabbro by Vanessacs on Sketchfab

섬록암(閃緑岩; diorite)

Diorite by Sara Carena on Sketchfab

화강암(花崗岩; granite)

Granite by Rutgers University Geology Museum on Sketchfab

실험 3. 암석의 육안 관찰

퇴적암 3D 관찰

퇴적암 (堆積岩; sedimentary rock)

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쇄설성 퇴적암

각력암(角礫岩; breccia)

Tectonic breccia by Sara Carena on Sketchfab

역암(礫岩; conglomerate)

Conglomerate by Sara Carena on Sketchfab

사암(砂岩; sandstone)

Sandstone by EDUROCK – EDUCATIONAL VIRTUAL ROCK COLLECTION on Sketchfab

셰일(shale)

Shale by PalomarESES on Sketchfab

 

비쇄설성 퇴적암

석회암(石灰岩; limestone)

Limestone by UQ School of Earth and Environmental Sciences on Sketchfab

백운암(白雲岩; dolostone)

Dolostone, Spain by Sara Carena on Sketchfab

처트(chert)

Franciscan Chert by Ron Schott on Sketchfab

패각암(貝殼岩, coquina)

Coquina (PRI) by Digital Atlas of Ancient Life on Sketchfab

실험 3. 암석의 육안 관찰

변성암 3D 관찰

변성암(變成岩; metamorphic rock)

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규암(珪岩; quartzite)

Quartzite, Spain by Sara Carena on Sketchfab

대리암(大理岩; marble)

Marble by EDUROCK – EDUCATIONAL VIRTUAL ROCK COLLECTION on Sketchfab

편마암(片麻岩; gneiss)

Gneiss by Earth Sciences, University of Newcastle on Sketchfab

점판암(粘板岩; slate)

Slate, Taiwan by Sara Carena on Sketchfab

편암(片岩; schist)

Schist by GSGEQueens on Sketchfab

혼펠스(hornfels)

Viridin-Hornfels by Uni Freiburg on Sketchfab

실험 4, 5. 암석에 기록된 복각과 대륙의 이동

1. Introduction

판의 이동에 관한 증거들을 나열할 수 있고, 판의 이동 속도를 추정할 수 있다. 또한 판의 경계를 결정하고, 지질활동의 특성에 따라 세 가지로 구분할 수 있다.

2. Method & Result

1) 지구자기 이상의 띠 무늬를 이용한 해저 확장 속도의 계산

(1) 원리

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그림 1  해양 자력 탐사에서 측정되는 자기장의 세기는 현재 지구자기장의 세기와 해저 지각의 자화에 의한 자기장이 합쳐져 나타난다. 두 자기장의 방향이 일치하는 경우(A)는 측정치가 크게 나타나고 서로 다른 경우(B)에는 작게 나타난다.image-1632726269093.png

그림 2  시대별 지구자기장의 역전을 보여주는 자기층서 기록. 검게 표시한 구간은 현재의 지구자기장과 같은 극성을 가지는 시기를, 흰 구간은 반대의 극성을 가지는 시기를 나타낸다.

암석을 이루는 입자들 중에는 자철석 등과 같은 자성 광물이 함유되어 있으며, 이들 광물이 외부 자기장에 의하여 자화됨으로써 암석들도 자기장을 형성한다. 새로운 해양지각이 형성되는 해령에서 솟아오르는 마그마가 식으면서 퀴리 온도 이하로 온도가 떨어지게 되면 여러 자성 광물들은 당시의 지구 자기장 방향으로 자화된다. 일반적으로 해수에 의해 급격히 식으면서 만들어지는 해양지각의 잔류자기는 그 세기가 유도자기에 비하여 훨씬 강하다.

(2) 방법

그림 3은 북아메리카 대륙 British Columbia 서쪽 해역에서 관측된 고지구자기장의 역전을 나타내는 띠무늬로 검게 표시한 부분은 해저 암석의 자화방향이 현재의 지구자기장의 방향과 같은 구역을, 희게 표시한 부분은 반대방향으로 자화된 구역을 나타낸다. 이 지역의 해령은 그림에서 화살표로 표시되어 있으며, Juan de Fuca 해령이라 부른다. 이렇게 해령을 가로질러 나타나는 지구자기 이상의 띠무늬를 분석한다.

(3) 결과 및 논의

① 그림 2의 시대별 지구자기장 역전의 패턴과 비교하여 그림 3에 나타난 띠무늬의 연령을 설명하시오.

② 해령 양 측의 평균적인 해저 확장의 속도는 각각 얼마인가?

③ 이러한 띠무늬가 만들어지는 메커니즘을 설명하시오.

image-1633092692006.png그림 3 북아메리카 British Columbia 서쪽 해역에서 관측된 고지구자기장의 극성 변화

2) 인도대륙의 이동과 지구자기장의 복각 변화

(1) 원리

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그림 4  쌍극자에 의해 형성되는 지구 자기장

자침을 실에 매달고 자유롭게 움직일 수 있도록 하면 어느 특정한 방향으로 정지하는데, 이 방향이 바로 그 지점에서의 지구자기장의 방향이다. 이러한 지구자기장은 그림 4와 같이 지구 중심부에 자기쌍극자가 존재할 때 생기는 자기장의 형태를 띤다. 지표면의 한 지점(예를 들면 그림의 P점)에서 자기극 방향으로 수평선을 정하면 이 수평선과 지구자기장이 만드는 각을 복각이라 부른다. 또한 각 지점마다 자기극과 지도에서 사용하는 지리상의 극은 약간의 차이를 보이는데 이들 사이의 각을 편각이라 한다.

따라서 지구자기장을 지리좌표계에서 표현하기 위해서는 지구자기장의 크기인 총자기장 F, 편각 D 및 복각 I를 알아야 하며 이를 지구자기장의 3요소라 한다.

(2) 방법

그림 5는 인도 중앙부의 한 지역에서 채취한 6개의 암석 시료로, B와 D는 화산암, 나머지는 자철석을 함유한 퇴적암 시료이다. 각 시료별로 수평선에 대한 잔류자기의 방향이 도시되어 있고, 방사능 연대측정법을 이용하여 측정한 절대 연령값이 주어져 있다. 이 자료들을 이용하여 다음 물음에 답하시오.

image-1633072403170.png그림 5  인도 대륙에서 채취한 암석시료에 나타나는 고지구자기장의 방향

 

① 암석 시료 A~F 의 복각을 각각 구한다.

② 지구자기장을 쌍극자 자장이라 가정하고, 지리북극과 자기북극이 일치한다고 하면 복각(I)과 위도(θ)의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

$$ \tan I = 2 \tan \phi $$

위 식을 이용하여 암석 시료 A~F의 복각에 해당되는 위도를 구한다.

③ 과학자들의 연구에 따르면, 인도 대륙은 과거 지질 시대를 지나면서 동서 방향으로는 거의 이동하지 않고, 남북 방향으로만 이동하였다고 한다. 이 사실을 참고하여 [그림 6]의 인도 대륙과 그 주변 지도에 지질 시대에 따른 인도 대륙의 위치를 그려 넣는다

image-1633071712659.png그림 6  인도대륙과 그 주변을 보여주는 작업용 도면

 

(3) 결과

① 암석 시료 A ~F 의 복각과 고지구의 위도를 각각 구하여 다음 표에 기록해 보자.

암석 시료 연령 (백만 년) 복각 위도 암석 시료 연령 (백만 년) 복각 위도
A       D      
B       E      
C       F      

 

② 과거 약 2억 년 동안 인도 대륙이 이동한 거리를 구해 보자.(단, 위도 1c 는 111 km 로 계산하고, 소수 둘째 자리에서 반올림한다.)

③ 인도 대륙이 각 시대별로 이동한 속도를 구하여 이동 속도 변화에 대해 말해 보자.

④ 인도 대륙이 과거 약 2억 년 전부터 현재까지 이동한 평균 속도를 cm/ 년의 단위로 구해 보자.

(4) 논의

① 인도 대륙이 아시아 대륙에 충돌한 결과 어떠한 현상이 일어났을까?

② 인도 대륙이 이동한 이유는 무엇일까?

④ 인도대륙과 북쪽의 티벳 고원의 지형적 특성을 기술하고, 이러한 지형의 생성을 판구조론과 연관하여 설명하여라.

⑤ [그림 7]은 전 세계적 지진과 활화산의 분포도를 보여준다. 인도 북부의 히말라야 산맥 일대에는 지진은 많이 발생하나 활화산은 나타나지 않는다. 그 이유를 설명하시오.

image-1632726072968.png그림 7  근래에 전세계적으로 발생한 지진과 화산의 분포

실험 6. 지층의 두께와 지진파의 속도 구하기

1. Introduction

탄성파 탐사법은 크게 굴절법과 반사법으로 나눌 수 있다. 굴절법은 탄성파의 전파과정에서 임계굴절이 일어날 경우에만 사용할 수 있다. 즉, 속도가 낮은 상부층에서 속도가 높은 하부층에 임계각으로 입사한 파는 층의 경계면에 평행하게 굴절된다. 이 때 에너지는 경계면을 따라 하부층의 속도로 전파하며, 에너지의 일부는 연속적으로 상층부로 재굴절하여 지표에 도달하게 된다. 탄성파 굴절법을 이용하여 지층의 탄성과 전달속도와 두께를 구하는 원리와 방법을 익혀 그 응용에 관하여 학습해보자. 

2. Background

지표 부근의 암층에 대한 탄성파 전달속도 분포와 그 두께에 관한 정보는 대형 건축물의 건설이나 도로나 교량건설 등의 토목공사에 있어서 매우 중요한 설계 자료이다. 이들 지표 부근에 대한 조사는 주로 탄성파의 굴절 원리를 이용한 탄성파 탐사법으로 이루어진다. 탄성파 탐사법은 지표면에 수진기(geophone)를 설치한 후, 해머 또는 폭발물에 의하여 인공지진을 일으켜 발생한 지진파가 도달하는 시간을 측정하여 조사하는 방법이다[그림 1].

image-1632726823696.png그림 1  탄성파 탐사 모식도

지하의 암층경계면에 입사한 탄성파는 반사(reflection) 또는 굴절(refraction)을 일으키며 전파되는데, 이 중에서 임계각으로 입사한 파는 90°의 굴절을 일으켜 경계면 하부층의 속도로 전파되어, 상부층으로 전달되는 직접파보다 빨리 수진기에 도착하게 된다. 이러한 파를 선두파(head wave)라 하며, 탄성파 굴절법은 이들 선두파의 신호를 분석하여 지층의 속도와 두께를 알아내는 방법이다. 탄성파 전달속도가 각각 V1과 V2(V2>V1)인 수평구조를 가정하면(그림 2), 음원에서 나오는 탄성파는 직접파, 반사파 및 굴절파로 전달되어 각 수진기에 기록되는데, 거리에 따른 도달시간을 나타내면 [그림 3]과 같으며, 이 도표를 주시곡선(T-X Diagram)이라 한다.

image-1632726895563.png그림 2  수평 2층 구조에서의 굴절파 경로

image-1632726925681.png

그림 3  탄성파 탐사 자료의 주시곡선도

[그림 3]에서 직접파와 굴절파의 기울기의 역수를 취하면 각 층의 속도 V1과 V2를 구할 수 있으며, 다음 관계식을 이용하여 층의 두께(h)도 구해낼 수 있게 된다.

(1) 직접파의 도달 시간(Td)

[그림 2]의 경로 AD를 따라 전파되는 직접파가 D점까지 도달하는데 걸리는 시간 Td는

$$T_d =  {{X} \over {V_1}} $$

이다.

(2) 굴절파의 도달 시간(Tr)

[그림 2]의 경로 ABCD를 따라 전파되는 굴절파가 D점까지 도달하는데 걸리는 시간 Tr은

$$T_r = { AB \over V_1 } + {BC \over V_2} + {CD \over V_1}$$

$$ = {1 \over V_1}{h \over \cos \theta _c }+ { X-2h \tan \theta _c \over V_2 } + { 1 \over V_1}{h \over \cos \theta _c }$$

$$ = {2 \over V_1} {h \over \cos \theta _c } + {X \over V_2 }-{2h \tan \theta _c \over V_2}$$

$$= 2h \left ( {1 \over V_1 \cos \theta _c } - {\tan \theta _c \over V_2} \right ) + {X \over V_2}$$

$$= 2h \left ( {1 \over V_1 \cos \theta _c } - { 1 \over V_2} {\sin \theta _c \over \cos \theta _c } \right ) + {X \over V_2}$$

$$ = 2h \left ( {1 \over V_1 \cos \theta _c } - { 1 \over V_2} {\sin \theta _c \over \cos \theta _c } \right ) + {X \over V_2}$$

$$= {2h \over {V_1 \cos \theta _c}} \left ( 1 - {{V_1}\over {V_2}} \sin \theta _c \right) + {{X} \over {V_2}}$$

가 임계각이라는 점을 감안하여 스넬의 법칙을 이용하면,

$$ {V_1 \over V_2 } = \sin \theta _c $$

이므로,

$$ T_r = {2h \over V_1 \cos \theta _c } ( 1- \sin ^2 \theta _c ) + {X \over V_2} $$

$$ = {2h \over V_1 \cos \theta _c } ( \cos ^2 \theta _c ) + {X \over V_2} $$

$$ = {2h \cos \theta_c \over V_1 }  + {X \over V_2} $$

이 된다. 즉, 굴절파의 주시곡선은 \(1 \over V_2\)를 기울기로 하고, \( 2h \cos \theta _c \over V_1 \)을 y절편으로 하는 직선이 된다.

한편,

$$ \cos \theta _c = \sqrt {1- \sin ^2 \theta _c} = \sqrt { 1 - {V_1^2 \over V_2^2}}$$

이므로,

$$ T_r = 2h \sqrt { {1 \over V_1^2} - {1 \over V_2^2}} + {X \over V_2} = { 2h \sqrt {V_2^2 - V_1^2 } \over {V_1 V_2 }} + {X \over V_2} $$

가 된다.

교차거리(X0)에서는 직접파의 도달시간(X0/V1)과 굴절파의 도달시간이 같으므로

$$ {X_0 \over V_1} = {X_0 \over V_2 } + {2h \sqrt {V_2^2 -V_1^2} \over V_1 V_2 }$$

$$ h = {X_0 \over 2 } \sqrt { {V_2-V_1} \over {V_2 + V_1}} $$

이 성립한다.

 

한편, 탄성파 전달속도는 암석의 밀도를 비롯한 물리적 특성에 따라 달라진다. 물리적 특성은 암성의 구성광물, 공극률, 함수량, 변성정도 등에 의하여 지배되며, 각종 암석의 탄성파 전달속도는 [표 1]과 같다.

 

표 1  여러가지 암석 별 지진파의 전파 속도

암석

속도(m/s)

암석

속도(m/s)

풍화암

305~610

셰일

2750~4270

자갈, 모래(건)

468~915

백악

1830~3970

모래(습)

610~1830

석회암

2140~6100

점토

915~2750

암염

4270~5190

물

1430~1680

화강암

4580~5800

해수

1460~1530

변성암

3050~7020

사암

1830~3970

얼음

3673

 

3. Method & Result

[그림 4]는 지진파 기록계를 이용하여 얻은 탄성파 탐사 자료이다. 이용된 장비는 다중채널(multichannel) 탄성파 기록계로써 한 탄성파원(source)으로부터 24개의 수신기에 기록된 탄성파 기록이다. 파형의 흑색부분이 양(+)의 진폭을 나타낸다. 각 수진기간의 거리는 10 feet(=3m)이다.

[그림 4]의 탄성파 기록을 토대로, x축은 거리(feet), y축은 도달 시간(sec)인 그래프를 [그림 5]와 같은 형태로 나타내라.

[그림 5]의 탄성파 기록을 [그림 3]과 비교하여 직접파, 굴절파를 서로 다른 색으로 구별한다.

phpzTEuYC.png

그림 4  탄성파 탐사 자료

image-1635062091818.png

그림 5 그래프 작성 예시

4. Discussion

⑴ 직접파와 굴절파의 주시곡선 기울기로부터 각 층의 속도를 구하여라.

 

⑵ 주시곡선으로부터 교차거리 를 구하여라.

 

⑶ 상부층의 두께를 계산하여라.

 

⑷ 상부층의 속도와 두께로 볼 때, 이 층의 구성은 어떠한 층이라고 생각하는가?

 

5. Reference

실험 7. 기단, 전선, 일기도

실험 7. 기단, 전선, 일기도

핸드아웃

다양한 종류의 일기도를 TV, 온라인, 기상 앱 등에서 볼 수 있다. 하지만 일기도가 식별하고 이해하기 쉽다는 사실에도 불구하고 많은 사람은 데이터와 그 위에 표시된 다양한 기호에 대해 거의 알지 못한다. 따라서 이 실험을 통해 기단, 전선, 그리고 다양한 종류의 일기도에 대해 익숙해지는 시간을 가져볼 것이다.

목표

Part I

기단은 육지나 물 위로 발달한 지구 표면을 가로질러 움직이는 큰 공기 덩어리다. 육지에서 발달하는 것들은 전형적으로 비교적 건조하기 때문에 대륙성 기단(c)이라고 불리는 반면, 물 위에서 발달하는 것들은 전형적으로 비교적 습해서 해양성 기단(m)이라고 불린다. 이것들은 또한 높은 위도나 낮은 위도에서 형성될 수 있는데, 높은 위도에서 형성되는 것들은 비교적 춥기 때문에 극기단(P)이라고 불리며, 낮은 위도에서 형성되는 것들은 비교적 따뜻해서 열대 기단(T)이라고 불린다. 따라서 우리는 4가지 기본 공기질량 유형인 cP, cT, mP, mT를 가지고 있으며, 각각의 유형은 서로 다른 특성을 가지고 있다.

다음 문장을 완성하라:

Part II

두 개의 기단이 만나면 그 사이의 경계를 전선면이라고하며, 이 경계가 지면과 교차하는 선을 전선이라 하고 일기도에 적절한 기호로 표시된다. 전선에는 네 가지 유형이 있는데 각각은 고유의 기호를 가지고 있다.

비교적 따뜻한 기단이 비교적 차가운 기단에 부딪힐 때 우리는 그들 사이의 경계를 온난 전선(warm front)이라고 부르며, 이것들은 운동 방향을 가리키는 쪽에 반원형이 그려진 붉은 선으로 표시된다. 반면에 상대적으로 차가운 기단이 비교적 따뜻한 기단에 부딪힐 때 우리는 그것을 한랭 전선(cold front)이라고 부르며, 이것들은 운동 방향을 가리키는 쪽에 삼각형이 그려진 파란색 선으로 표시된다.

다른 때는 따뜻한 공기 질량과 차가운 공기 질량이 서로 부딪히기보다는 서로를 지나칠 수 있으며, 이는 두 사람 사이의 경계가 비교적 고정되어 있기 때문에 정체 전선(stationary front)이라고 불린다. 이것들은 빨간색과 파란색의 교대로 표시되며, 빨간색 부분에는 빨간색 반원형이 차가운 기단 쪽에 표기되어 있고, 파란색 부분에는 파란색 삼각형이 따뜻한 기단 쪽에 표기되어 있다.

마지막으로, 온대 저기압(mid-latitude cyclones)이라고 불리는 기상 시스템에서 더 복잡한 상호작용이 발생할 때, 정체 전선이 회전하기 시작하면서 냉기가 따뜻한 공기 아래로 밀려들고, 따뜻한 공기는 차가운 공기를 타고 올라간다. 이렇게 되면 폐색 전선(occluded front)이 발달하는데, 이 전선은 회전하는 방향 쪽에 번갈아 반원과 삼각형이 있는 보라색 선으로 표시된다.

전선의 종류.png       Occluded_cyclone.png

각 전선을 종류별로 색상을 맞춰서 그리시오. (색상 사용이 어려운 경우, 색상을 라벨로 표기)

Part III

일기도 1(pg. 21)은 다양한 취지에서 측정된 대기압(단위: mb)을 보여준다.

Part IV

일기도 2 (pg. 22)는 강수량에 대한 레이더 사진이다. 강수가 약한 지역은 진한 파란색으로 나타나 있으며, 강수가 많은 지역은 빨간색으로 나타나 있다.

Part V

일기도 3 (pg. 23)에는 저기압에 큰 파란색 L, 고기압에 큰 붉은색 H가 표기되어 있다. 또한 기상계에 의해 만들어진 온난 전선과 한랭 전선이 표기되어 있다. 박스로 나타낸 지역은 토네이도가 관찰되었다고 발표된 지역이다.

A:

B:

Part VI

일기도 4(pg.24)는 미국 전역에 존재하는 구름을 보여주는 동일한 기상계의 적외선 위성 이미지다.

 

Weather Map 1

weather1.jpg

Weather Map 2

weather2.png

Weather Map 3

weather3.png

Weather Map 4

weather4.png

실험 7. 기단, 전선, 일기도

보고서 양식

Part I

Part II

각 전선을 종류별로 색상을 맞춰서 그리시오. (색상 사용이 어려운 경우, 색상을 라벨로 표기)

Part III (일기도 1)

** 일기도 1 그림을 첨부

Part IV (일기도 2)

** 일기도 2 그림을 첨부

Part V (일기도 3)

** 일기도 3 그림을 첨부

Part VI (일기도 4)

** 일기도 4 그림을 첨부

실험 08. 수온의 수평 수직 분포

Introduction

태양 복사 에너지는 해수의 표면 온도에 영향을 미친다. 해수의 표면 온도는 일반적으로 적도 부근에서 가장 높고 고위도로 갈수록 낮아지는데, 위도 외에도 다양한 요인들이 수온 분포에 영향을 미치기 때문에 지역별로 조금씩 다른 특성을 보인다. 수온의 수평분포로부터 난류 또는 한류의 분포를 알 수 있으며, 소용돌이의 존재 및 이동, 용승 여부와 에크만 수송을 확인할 수 있다.

해양을 연직으로 보면 위로부터 혼합층, 수온약층, 심해층의 세 층으로 크게 분리할 수 있다. 이 중 수온 약층은 온도가 깊이에 따라 급격히 감소하는 안정한 층으로 계절에 관계없이 존재하는 영구수온약층과 계절에 따라 생성 소멸하는 계절수온약층이 있을 수 있다. 일반적으로 깊은 바다의 경우 영구 수온약층이 있고, 얕은 바다는 계절 수온약층만 존재한다.

우리나라에서 해양 자료의 수집은 1965년 이후 동, 남, 서해의 총 22개의 정선에서 연 6회에 걸쳐 층별 해양 조사를 실시하여 해양조사 연보에 그 자료를 수록하고 있다. 최근에는 몇 개의 정선을 더 추가하였으며, 연안 정지관측, 부이 관측, 위성 관측 등 다양한 방법으로 해양 관측을 실시하고 있으며 인터넷으로 자료를 제공하고 있다.

우리나라 근해 수온의 수평, 수직 분포를 도시(圖示)하고, 수온 분포의 특징을 알아보자.

 

Method

⑴ 실험 자료

한국해양자료센터(https://www.nifs.go.kr/kodc/soo_list.kodc)

[해양관측자료] - [정선해양관측자료]의 자료 활용

⑵ 실험 방법

실험 1. 수온의 수평분포

㈀ 정선해양관측자료(2011년 2월, 8월(또는 9월))를 조사한다.

㈁ 정점의 위치를 확인하여 수온 관측 자료를 [정선관측지점 위치도]에 기입한다.

㈂ 등수온선도를 그린다.

㈃ 해류, 용승, 에크만 수송 등을 파악한다.

실험 2. 수온의 수직분포

㈀ 서해, 동해, 남해에서 대표 관측지점(정점)을 선정한다.

㈁ 세 지점에서의 2014년 2월, 8월의 수직 수온 분포를 조사한다. (동해: 102-9, 남해: 400-27, 서해: 312-10)

㈂ 수직 수온 분포를 그래프로 그린다(계절별 비교, 바다별 비교).

㈃ 수온약층의 위치를 찾고 분석한다.

 

Results

실험 1. 수온의 수평분포

⑴ 대한민국 연안의 등수온선도 그리기

 

⑵ 결과 해석

① 수온이 가장 높은 지점 표시 (서해, 동해, 남해에서 한 군데씩 골라 표시)

② 수온이 가장 낮은 지점 표시 (서해, 동해, 남해에서 한 군데씩 골라 표시)

③ 표층 수온 분포의 특징적인 부분을 찾아 기술하시오 (계절별 비교, 해류 파악, 기타 수온 분포의 특징 등)

 

실험 2. 수온의 수직분포

⑴ 서해, 동해, 남해의 수온 수직 분포 그래프 그리기

 

⑵ 결과 해석

① 혼합층, 수온약층, 심해층 구분하기 (그래프에 표시)

 

서해

동해

남해

계절

여름

(8월)

겨울

(2월)

여름

(8월)

겨울

(2월)

여름

(8월)

겨울

(2월)

혼합층의 두께(m)

 

 

 

 

 

 

수온약층의 두께(m)

 

 

 

 

 

 

② 세 바다에서 공통적으로 수온 약층이 존재하는 계절

③ 서해의 겨울, 여름의 수온 수직 분포의 비교 및 그에 대한 분석

④ 동해의 수온약층과 서해의 수온약층의 특성 비교 및 원인 분석

실험 09 조석 자료 분석

Introduction

바닷가에 가 보면 끊임없이 움직이고 있는 바다를 누구나 볼 수 있다. 이러한 바다의 움직임은 여러 가지 이유 때문에 일어나는데 그 중 주로 달, 태양 등의 천체의 인력에 의해 일어나 몇 시간 정도의 주기로 반복되는 움직임을 조석(tide)이라 하고, 그 높이를 측정하는 것을 조석 관측이라 한다. 특히 우리나라 서해안에서 더욱 잘 볼 수 있다.

조석 곡선은 1태음일 동안 한 장소에서 조위면의 상승과 하강을 나타낸 것이다. 한 지점에서 한 달 동안의 조석은 사리와 조금의 시각이 나타나 있어 한 달 동안의 조석 변화와 조석의 평균 유형을 결정하는 데 이용된다.

이 실험에서는 주어진 조석 자료를 가지고 조석 곡선을 작성하여 조석의 유형을 판단하고 조석 곡선을 분석하는 것이다.

 

Method

⑴ 2015년 4월, 동해(포항), 서해(송도), 남해(진도)의 조석 관측 자료를 얻는다. (국립 해양 조사원 : http://www.khoa.go.kr/oceangrid/koofs/kor/oldobservation/obs_past_search_statistic.do)

⑵ 세 지역의 조석 곡선을 그린다. (자신이 결과에 사용한 조석 곡선을 꼭 첨부하세요.)

⑶ 해석한다.

 

Results

⑴ 작성된 조석 곡선에 의하면 관측지의 조석은 어떤 유형을 나타내는가? (상술하시오)

⑵ 대조차는 얼마인가? 이 때는 언제이며, 달의 위상은 무엇인가?

⑶ 소조차는 얼마인가? 이 때는 언제이며, 달의 위상은 무엇인가?

⑷ 평균 조차는 얼마인가?

⑸ 동해, 서해, 남해의 조석 현상 특징을 비교해보자.

 

Discussion

 

 

Assignment

⑴ 다양한 조석의 형태(반일주조, 일주조, 혼합조)가 발생하는 이유(즉, 조석의 형태에 영향을 미치는 요인)는 무엇일까?

 

Reference

실험 10. 달의 공전과 위상 변화

Introduction

둥근 보름달이 떠오른 날 등산을 하거나 시골길을 걸어본 사람이라면 밤길이 그다지 어둡지 않다는 사실을 알고 있을 것이다. 때로는 밝은 달빛이 만든 그림자에 깜짝 놀라기도 한다. 매일 다른 모습으로 떠오르는 달은 누구에게나 흥미로운 천체다. 음력 한 달을 기준으로 달은 초승달에서 시작해, 상현, 보름, 하현, 그믐까지 모양을 바꾼다. 이러한 변화를 반복하는 이유는 태양과 지구, 달의 상대적인 위치에 따라 태양빛을 반사하는 달 표면이 다른 각도에서 보이기 때문이다.

음력으로 초하루가 지날 쯤이면 해진 후 서쪽 하늘에 가느다란 눈썹 모양의 초승달을 볼 수 있다. 그런데 이 때 “야! 초승달이 떴다!”고 말한다면 이는 잘못된 표현이다. 초승달은 이른 아침에 이미 떠올라 저녁때는 지고 있는 상황이기 때문이다. 온종일 하늘에 떠 있던 초승달이 밝은 태양에 가려 보이지 않았을 뿐이다.

음력 7, 8일이 되면 달은 ‘반달(상현달)’이 되고 밝기도 밝아진다. 물론 달을 볼 수 있는 시간도 자정까지로 길어지게 된다. 음력 15일 경에 볼 수 있는 보름달은 해질 무렵에 동쪽 지평선 위로 떠오를 채비를 서두른다. 반달에 비해 10배가량 밝은 보름달은 밤새 밤하늘을 밝히고 새벽에 이르러서야 서쪽 지평선 너머로 지게 된다.

보름달 이후 크기가 줄어들기 시작한 달은 음력 21일 경에는 다시 ‘반달(하현달)’이 된다. 하현달은 자정 무렵부터 떠오르기 시작한다. 이때부터 달이 뜨는 시간은 점점 새벽으로 가까워지며 음력 29일 경에는 이른 새벽 동쪽에서 그믐달을 볼 수 있다.

음력의 날짜보다 더 정확히 달의 모양을 표현하는 것은 ‘월령’이다. 월령은 말 그대로 달의 나이를 나타내는 것으로 삭(달이 안 보이는 때)을 월령 0일로 해서 달의 모양 변화를 날짜 단위로 나눈 것이다. 삭에서 다음 삭까지는 29.5일이며 월령 14.8일은 보름달을 나타낸다. 음력날짜를 보면 월령을 짐작할 수 있지만 날짜는 실제로 월령보다 1-2일 정도 앞서 간다. 그 이유는 달이 ‘삭’인 날에 월령은 0일이지만 음력에서는 그날을 1일로 삼기 때문이다. 음력과 월령을 알면 달의 뜨고 지는 시각과 밝기, 겉모양 등을 대략 짐작할 수 있다.

이 실험을 통해 주어진 달의 자료를 통해 달의 크기, 지구까지의 거리, 태양-지구-달 사이의 각도를 조사하여 달의 공전 궤도를 그려보자.

Method

[실험 1] 지구에서 달까지의 거리 구하기

⑴ [자료 1] 한 달 동안 달의 위상 변화에서 보이는 달의 크기가 모두 같은가? 같지 않다면 이를 정확하게 측정하기 위해서는 어떤 방법을 사용해야 할까?

⑵ 자신이 생각한 방법으로 달의 크기(지름)와 달의 평균 크기를 구해보자.

⑶ 지구에서 달까지의 평균거리를 384,400km로 생각하고 ⑵에서 구한 달의 크기를 이용하여 지구에서 달까지의 거리를 구해보자.

⑷ 그 결과를 [표 1]에 작성하자.

 

[실험 2] 태양-지구-달 사이의 각도 구하기

⑴ 지구에서 관찰한 태양의 모습과 달리 달은 지구를 공전하면서 그 모양이 바뀌게 된다. 이를 통해 달의 공전궤도상에서의 달의 위치를 정확하게 결정할 수 있다.

# 달의 위상 변화를 대략적으로 나타내보면 다음 그림과 같은 원리에 의한다.

달1.jpg

# 달의 위상 변화를 기하학적으로 나타내면 다음과 같다.

달2.png

# 이를 이해하기 위해 다음에 나타난 절차대로 생각해 보자.

(태양-지구-달이 이루는 각의 크기 : θ, 달의 반지름 : R)

 

  • 보름달로 보일 때 지구에서 보이는 달의 밝은 부분을 달의 지름과 같은 2R이라고 하면, 앞 그림에서 밝게 보이는 부분 : _____________, 어두워 보이지 않는 부분 : _____________ 이다. 따라서 ,보이는 부분과 어두운 부분의 비는 _____________ 이다.
     
  • 보름인 경우에 θ=180°이므로 보이는 부분은 2R이 되는 것과 같이, 삭인 경우에 θ= _____________° 이므로, 보이는 부분은 상현 또는 하현인 경우에 θ= _____________°이므로 보이는 부분과 어두운 부분의 비는 _______ : _______ 이다.

⑵ 아래와 같은 방법을 사용하여 태양-지구-달 사이의 각도를 구해보자.

달3.png

① [실험 1]에서 지구-달 거리를 계산하기 위해 달의 지름을 결정하는 과정을 거쳤다. 이 결과를 활용하여 달의 지름을 긋는다.

② 달 사진에서 보이는 부분(R2)과 어두운 부분(R1)의 길이 비 을 계산하면, 바로 이 값이 _________ 가 되므로 θ를 결정할 수 있다.

⑶ 그 결과를 [표 2]에 작성하자.

 

[실험 3] 달의 궤도 그리기

⑴ [실험 1]에서 계산했던 지구-달 사이의 거리(환산) 자료와 [실험2]에서 구한 태양-지구-달 사이의 각도(θ) 자료를 통해 달의 궤도를 나름대로 정확하게 그려보자.

 

Results

⑴ 자신이 사용한 달의 지름을 정확하게 구하는 방법을 무엇인가?

 

⑵ [실험 1]의 결과

사진 번호

달의 지름(cm)

평균 크기와의 차이

지구 - 달 거리

1

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

 

5

 

 

 

6

 

 

 

7

 

 

 

8

 

 

 

9

 

 

 

10

 

 

 

11

 

 

 

12

 

 

 

13

 

 

 

14

 

 

 

15

 

 

 

16

 

 

 

17

 

 

 

18

 

 

 

19

 

 

 

20

 

 

 

21

 

 

 

22

 

 

 

23

 

 

 

 

⑶ [실험 2]의 결과

사진 번호

  

θ

사진 번호

  

θ

1

 

 

13

 

 

2

 

 

14

 

 

3

 

 

15

 

 

4

 

 

16

 

 

5

 

 

17

 

 

6

 

 

18

 

 

7

 

 

19

 

 

8

 

 

20

 

 

9

 

 

21

 

 

10

 

 

22

 

 

11

 

 

23

 

 

12

 

 

 

 

 

 

⑷ [실험 3]의 결과: 달의 궤도 그리기

 

Discussion (3줄 이내)

 

Assignment

⑴ 신윤복의 ‘월하정인(月下情人)’에서의 달의 위상은 실제로 나타날 수 있는 달의 위상일까? 그렇게 생각한 이유는 무엇인가? 신윤복은 자신의 그림에 왜 이런 달의 위상을 그리게 되었을까?

달4.png

⑵ [⑴의 문제와 같은 맥락] 아래의 상황을 살펴보고 여러분이 아이디 tmdgus4842인 사람에게 제대로된 설명을 해줘야하는 상황이라면 어떻게 설명을 해 줄 것인지 써보자.

달5.png

 

 

 

 

Reference

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