NASA, 지구 중심이 움직이고 있다.

육지와 바다 사이에서 물이 출렁이는 현상은 지구의 질량 중심을 기하학적 중심에 대해 상대적으로 이동시킵니다. NASA 과학자들은 초정밀 위성 추적을 이용한 새로운 기술을 개발하여 이 변위를 수 센티미터 이내의 오차로 추정할 수 있게 되었습니다. (이미지 출처: NASA 과학 시각화 스튜디오)

지구의 질량 중심은 완벽하게 고정되어 있지 않습니다. 계절에 따라 물, 얼음, 공기가 지구 주위를 이동하면서 무게를 재분배하여 지구의 기하학적 중심을 기준으로 질량 중심을 미세하게 앞뒤로 밀어냅니다.

NASA 과학자들은 지구의 질량 중심이 위성 항법과 지표면 고도 측정에 필수적인 기준점이 되기 때문에 이러한 미묘한 움직임을 세심하게 추적합니다.

미국 NASA 제트 추진 연구소(JPL)가 이끄는 연구팀은 계절 변화를 매우 정밀하게 측정할 수 있는 방법을 개발했습니다. 이 기술과 연구 결과는 국제 지구물리학 저널(Geophysical Journal International) 에 게재된 새로운 연구 논문에 자세히 설명되어 있습니다.

이 연구는 눈 녹음, 해수 이동, 겨울철 대기 밀도 증가 등 주요 계절 변화가 지구 표면 전체에 걸쳐 막대한 양의 물질을 재분배하는 방식을 보여줍니다.

지구의 중심은 끊임없이 움직인다.

과학자들은 수십 년 동안 우주 관측을 이용하여 지구의 질량 중심을 정의하고 찾아내는 방법을 개발해 왔습니다. 하지만 문제는 질량 중심이 한 곳에 고정되어 있지 않다는 것입니다.

만약 지구가 완전히 단단한 푸른 구슬처럼 행동한다면, 질량 중심은 지구의 기하학적 중심과 일치할 것입니다. 하지만 지구는 물, 얼음, 대기의 무게 변화에 따라 움직입니다. 이러한 물질들이 움직이면서 지구의 질량 중심은 기하학적 중심을 기준으로 수 밀리미터 정도 회전합니다.

그 움직임의 정확한 규모를 측정하는 것은 어려운 일로 밝혀졌습니다. 2017년과 2023년에 발표된 두 차례의 가장 최근 국제 추정치는 0.27인치(7밀리미터)의 차이를 보였는데, 이는 5센트 동전 세 개를 쌓아 올린 높이와 거의 같습니다. 이러한 차이는 과학자들이 측정하려는 움직임의 규모만큼이나 큽니다.

그러한 불확실성을 줄이기 위해 JPL의 지구과학자 도널드 아거스는 매우 정밀한 위성 추적에 기반한 새로운 접근 방식을 개발하는 데 앞장섰습니다.

중력으로 인해 인공위성은 지구의 질량 중심을 중심으로 공전합니다. 이 질량 중심이 이동함에 따라 과학자들은 궤도를 도는 인공위성과 지상의 추적 기지 사이의 거리에서 발생하는 미세한 변화를 감지할 수 있습니다.

인공위성은 지구 중심의 위치를 ​​정확히 파악하는 데 도움을 준다.

과학자들은 오랫동안 인공위성을 이용해 지구 질량 중심의 위치를 ​​파악해 왔습니다. 1976년과 1992년에 발사된 두 대의 고밀도 금속 위성은 바로 이러한 목적을 위해 특별히 제작되었습니다.

레이저 지구역학 위성(LAGEOS 1호와 2호)은 반사 프리즘으로 덮인 408kg 무게의 디스코볼처럼 생겼습니다. 20개국 이상에 분산된 지상 기지에서 위성에 레이저를 발사하고 반사되어 돌아오는 신호를 정밀하게 측정합니다.

이 방법의 한 가지 어려움은 레이저 추적 기지가 전 세계에 고르게 분포되어 있지 않다는 점입니다.

새로운 접근 방식은 두 가지 방식으로 이러한 한계를 해결합니다. 연구원들은 레이저 측정값을 GPS 추적 및 저궤도에 있는 여러 위성의 궤도 정보와 결합하여 추적 대상의 범위를 넓혔습니다. 또한 물과 얼음의 무게 변화가 지구 지각을 휘게 하는 방식을 고려하여, 지상 관측소 자체가 지표면의 변화에 ​​따라 약간씩 움직이도록 했습니다.

아거스는 JPL의 위성 궤도 결정팀, 네바다 대학교, 몬태나 대학교, 그리고 독일 헬름홀츠 지구과학센터의 과학자들과 함께 이 기술을 개발했습니다.

"우리는 이제 지구 질량 중심의 연간 왕복 운동 규모가 8년 전 우리가 생각했던 것의 절반 정도라고 추정하고 있습니다."라고 아거스는 말했습니다. "이번 연구 결과는 지구의 물과 공기가 양쪽 반구 사이를 이동하는 질량이 이전에 생각했던 것보다 작다는 것을 시사합니다."

관련된 거리는 매우 짧지만, 그 중요성은 실험실을 훨씬 넘어섭니다.

이번 연구의 공동 저자 중 한 명인 JPL의 펠릭스 랜더러는 "이러한 움직임은 아주 미미해 보일 수 있지만, 현대 사회는 매우 정확한 위치 측정에 의존하고 있습니다. 기준계가 변하는 메커니즘을 밝혀내고 이해함으로써, 궁극적으로 지도 제작 및 항해에 도움이 되는 더 나은 기준계를 구축할 수 있으며, 이는 전 세계 해상 물류에서부터 정밀 농업에 이르기까지 모든 분야에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다."라고 언급했습니다.

눈, 비, 그리고 바다는 지구의 균형을 변화시킨다.

연구진은 지구 질량 중심의 계절적 이동을 추적하여 그 주요 원인을 해양, 대기, 그리고 대륙수(육지 빙하, 눈, 호수 및 강물, 토양 수분, 지하수로 구성됨) 세 가지로 밝혀냈습니다.

물과 공기가 세계 각지에 축적됨에 따라 그 영향은 연중 내내 변화합니다.

북미와 유라시아 전역의 눈은 3월에 가장 많이 쌓입니다. 이렇게 추가된 질량으로 인해 지구의 질량 중심이 북극 쪽으로 약 3밀리미터 이동합니다.

4월이 되면 아마존 강 유역은 계절 최대 강우량인 약 2,400기가톤의 물을 머금게 됩니다. 이 엄청난 양의 물은 지구의 질량 중심을 남아메리카 쪽으로 2.2밀리미터 끌어당깁니다.

또 다른 요인은 연말에 발생합니다. 동남아시아의 몬순 강우량은 아마존 최대 강우량 이후 6개월 뒤인 11월에 600기가톤으로 정점을 찍으며, 연간 이동량에 소량을 더합니다.

태평양은 막대한 영향력을 행사한다.

해수 또한 계절 변화에 중요한 역할을 합니다.

8월부터 10월까지 녹은 물과 강우가 해양의 질량을 증가시켜 지구의 질량 중심을 남태평양 쪽으로 밀어냅니다.

태평양은 워낙 광대하기 때문에 태평양 질량의 변화는 다른 해양 분지의 질량 변화보다 훨씬 클 수 있습니다. 하지만 지중해, 홍해, 북해, 발트해, 바렌츠해의 계절적 변화는 지구 중심 이동에 각각 상대적으로 작은 영향을 미칩니다.

대기는 이러한 순환 과정에 또 다른 층을 더합니다.

연구진은 유럽 중기예보센터(ECMWF)에서 개발한 모델을 이용해 계절별 대기 변화가 지구 질량 중심에 미치는 영향을 추정했습니다. 분석 결과, 차갑고 밀도가 높은 겨울 공기가 매년 12월 21일경 아라비아, 아시아, 북아프리카 쪽으로 질량 중심을 이동시키는 것으로 나타났습니다. 이와 유사한 현상은 6월 21일경 남미와 남아프리카 지역에서 발생합니다.

GRACE 위성이 질량 변화를 확인했다.

새로운 분석을 통해 산출된 질량 추정치는 GRACE-FO(Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On) 임무의 관측 결과와 일치합니다.

2018년에 발사된 GRACE-FO는 지구 중력장의 월별 변화를 측정하는 두 개의 위성으로 구성되어 있습니다. 이러한 중력 변화의 상당 부분은 지구 표면 위아래로 움직이는 물에 의해 발생합니다.

위성들은 매우 정밀한 대형을 유지하며 함께 이동합니다. 선두 위성이 물로 가득 찬 강 유역처럼 질량이 더 큰 지역을 지나갈 때, 더 강한 중력으로 인해 두 위성 사이의 거리가 아주 미미하지만 감지 가능한 양만큼 변합니다.

GRACE-FO는 NASA와 독일 지구과학 연구센터(GFZ)의 협력 프로젝트입니다.

과학자들은 이미 차세대 측정 작업을 준비하고 있습니다. GRACE-Continuity(GRACE-C) 임무는 2028년 말 발사를 목표로 하고 있으며, 지구 주위의 물과 질량 이동을 추적해 온 약 25년간의 GRACE 관측 기록을 이어갈 예정입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261005071520.htm