계절 따라 지구 질량중심도 출렁…물·얼음, 공기 영향 수mm 이동

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지구는 암석 행성이지만 지표를 덮고 있는 물과 얼음, 공기 같은 물질의 이동으로 인해 지구 전체의 질량중심은 미세하게나마 끊임없이 움직이고 있다. 계절에 따라 이 물질들이 북반구와 남반구, 대륙과 해양 사이를 연속적으로 순환하면서 지구 질량중심은 기하학적 중심(지구 모양의 중심)을 기준으로 미세하게 출렁인다.

앞선 연구들에 따르면 질량중심은 1년 주기로, 지표면 아래 6300㎞가 넘는 지구 한가운데 기하학적 중심 주위에서 수㎜ 크기의 타원을 그리듯 오가는 것으로 알려져 있다.

미국항공우주국(나사) 제트추진연구소(JPL) 연구진이 새로운 초정밀 위성 추적 기술로 지구의 질량중심 이동을 이전보다 정밀하게 측정해 국제 학술지 ‘지구물리학 저널 인터내셔널’(Geophysical Journal International)에 발표했다.

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연구진은 1년 주기로 지구의 질량중심을 흔드는 요인을 바다, 대기, 대륙수(육지 얼음·눈·호수·강·토양수분·지하수) 세 갈래로 나눠 분석했다.

이에 따르면 우선 3월에는 북미와 유라시아에 쌓인 눈이 최대치에 이르며 질량중심을 북극 쪽으로 약 3㎜ 끌어당기는 것으로 나타났다. 한 달 뒤인 4월에는 아마존강 유역에 내린 빗물이 2조4000억톤으로 정점을 찍으며 질량중심을 남미 쪽으로 2.2㎜ 옮긴다. 6개월 뒤인 11월에는 동남아의 엄청난 몬순 강우량이 6000억톤으로 최대가 되며 질량중심 이동에 조금 더 힘을 보탠다.

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8~10월에는 얼음이 녹은 물과 빗물로 바닷물이 불어나면서 지구 질량 중심이 남태평양 쪽으로 이동한다. 태평양이 워낙 넓기 때문에 다른 대양의 바닷물 증감을 압도한다. 하지만 지중해와 홍해, 북해, 발트해, 바렌츠해의 계절 변화도 각각 나름대로 영향을 미친다.

공기도 질량중심 이동에 한몫한다. 연구진이 유럽중기예보센터(ECMWF) 모델로 계산한 결과, 차가운 고밀도 겨울 공기가 12월21일을 전후해 아라비아·아시아·북아프리카에, 6월21일 무렵에는 남미·남아프리카에 몰리며 질량 중심을 미세하게 움직이는 것으로 나타났다.

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연구진은 이번 계산 결과는 물의 이동으로 발생하는 지구 중력의 월별 변동을 측정한 2018년 그레이스-포(GRACE-FO) 위성 관측 데이터와도 일치한다고 밝혔다.

기존 추정치의 절반…이동 물질량 생각보다 적어

연구를 이끈 도널드 아거스 박사는 “지구 질량 중심의 연간 이동 거리가 기존 추정치의 절반 수준에 불과한 것으로 나타났다”며 “이는 남북 반구를 오가는 물과 공기의 양이 이전에 생각했던 것보다 작다는 걸 뜻한다”고 말했다.

지구 질량중심의 변화를 측정한 것이 이번이 처음은 아니다. 하지만 측정 방법에 따라 수치가 달라졌다. 예컨대 2017년과 2023년에 발표된 두 추정치는 7㎜의 차이를 보였다. 이는 500원짜리 동전 3개 반을 쌓은 높이에 해당한다. 숫자만 보면 미세한 차이 같지만 지구 질량 중심의 움직임 자체가 몇mm 단위라는 걸 고려하면 매우 큰 차이다.

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전통적으로 지구 질량중심을 찾는 데는 인공위성을 추적하는 방법을 이용했다. 지구의 중력의 영향을 받는 인공위성은 마치 보이지 않는 줄에 묶인 듯 지구의 질량중심을 축으로 돌기 때문이다. 위성과 지상기지국 사이의 거리가 달라진다면, 이는 지구의 질량 중심이 움직였다는 걸 뜻한다.

하지만 이 방법은 지상기지국이 지구 곳곳에 고르게 분포해 있지 않다는 한계가 있었다. 연구진은 이번에 두 가지 방식을 추가해 정확도를 높였다. 첫째는 GPS 추적 정보와 여러 저궤도 위성의 궤도 정보를 추가해 관측 대상을 다양화했다. 둘째 물과 얼음의 무게가 지각을 눌러 변형시키는 효과도 계산에 넣었다. 지상기지국이 서 있는 땅의 위치 변화도 함께 고려한 것이다.

지구 질량중심은 위성 항법이나 고도 측정에서 매우 중요한 기준점 역할을 한다. 연구진의 일원인 펠릭스 렌더러 박사는 “지구 질량중심의 움직임은 아주 미미해 보일 수 있지만 현대 사회는 매우 정확한 위치 측정을 필요로 한다”며 “기준점의 이동을 정확히 알아내면 지도 제작과 항법, 해운 물류, 정밀농업 등에 유용하게 활용할 수 있다”고 말했다.

*논문 정보

Estimation and cause of the seasonal oscillation between Earth’s centre of mass and centre of figure.