공전궤도 이심률

요약 태양을 돌고 있는 지구의 공전 궤도는 원에 가까운 타원인데 궤도 이심률이란 타원 궤도의 일그러진 정도를 말한다.

행성의 공전궤도는 원이 아니라 타원이다. 행성은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원궤도를 그린다. 이를 케플러 제1법칙이라 한다. 궤도이심률이란 이 타원이 얼마나 찌그러졌는지 정도를 나타낸다. 숫자가 작을수록 원에 가깝고, 숫자가 클수록 럭비공처럼 많이 찌그러졌다는 것을 의미한다. 그림을 통해 이심률을 이해해 보자.

[그림] 공전궤도이심률

타원은 초점(F₁, F₂)에 압정을 고정하고 실을 묶어 압정에 걸어 그릴 수 있다. 그러면 긴반지름 a 와 짧은 반지름 b 가 나타난다. a, b가 중심에서 같은 거리인 도형이 원이다. 압정 부분에 태양이 위치하고 행성은 타원궤도 상에 위치한다. F₁에 태양이 위치한다면 행성이 A₁에 있으면 근일점이고, A₂에 있으면 원일점이 된다. 따라서 태양 행성간 거리가 차이가 나므로 타원의 중심(O)를 정한다. 이때 c/a를 궤도 이심률이라 한다. 타원의 경우 이심률(e)는 0보다 크고 1보다 작다. 0 에 근접할수록 원(구)에 가깝고, 1 에 가까울수록 직선(평면)이 된다. 아래 표는 태양계 행성들의 궤도 이심률을 나타낸 것이다.

[표] 행성의 궤도이심률

공전궤도 이심률의 변화

행성 공전궤도의 이심률은 고정되어 있지 않고 변화하는 것으로 알려져 있다. 유고슬라비아의 천문학자 밀란코비치에 의하면, 타원 형태인 지구의 공전궤도 모양은 긴 시간이 지남에 따라 변화한다. 상대적으로 긴 타원형으로 늘어났다가 다시 원형에 가까운 궤도로 돌아오는데, 그 주기는 약 10만 년이다. 즉, 지구의 공전궤도 이심률 변화 주기는 약 10만 년이다.

지구 공전궤도의 이심률이 변화하는 이유는 같이 태양 주위를 공전하는 목성과 토성의 상호작용 때문이라고 여겨지고 있다. 즉, 지구가 태양 주위를 공전하는 유일한 행성이라면 공전궤도는 거의 변하지 않을 것이다. 하지만 같이 공전하는 크기가 큰 행성의 중력의 영향으로 공전궤도가 주기적으로 변화하게 된다.

공전궤도의 이심률 변화가 커지면 근일점과 원일점에서의 태양 복사에너지 차이가 커지게 되고, 장기적으로는 지구의 기후에 큰 영향을 줄 수 있다. 100,000년의 기간 중에서 가장 이심률이 클 때에는 근일점이 원일점보다 약 20~30 % 더 많은 태양 복사 에너지를 받는다. 지난 15,000년 동안 지구 공전 궤도의 이심률은 계속 작아져 왔으며, 앞으로 약 35,000년 동안은 계속 작아질 것으로 예상된다.