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# 달의 물리적 성질
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# 달의 물리적 성질
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달의 물리적 성질은 돔형 달 기지의 설계와 운영에 필요한 환경적 경계 조건을 정의합니다.
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달의 물리적 성질은 돔형 달 기지(Dome-type Lunar Base)의 구조적 안정성, 방사선 차폐 설계, 열 제어 시스템 등
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본 문서에서는 달의 여러 물리량, 궤도 특성, 구성 성분, 온도, 중력, 내부 구조, 그리고 월자기에 대해 다룹니다.
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기술적 설계의 기초 자료로 사용되는 핵심 요소이다.
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이 문서는 달의 여러 물리량, 궤도 특성, 구성 성분, 온도 분포, 중력 특성, 내부 구조, 그리고 자기장(월자기)에 대해 기술한다.
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## [여러 물리량](여러-물리량)
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## 여러 물리량
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| 항목 | 값 |
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달의 기본 물리량은 아래 표와 같다.
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이 값은 NASA 및 GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory) 임무를 통해 측정된 정밀 자료를 포함한다.
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| 평균 반지름 | 1737.4 km |
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| 적도 반지름 | 1738.1 km |
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| 항목 | 값 | 설명 |
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| 극 반지름 | 1736.0 km |
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| 편평률 | 0.0012 |
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| 평균 반지름 | 1,737.4 km | 달 중심에서 표면까지의 평균 거리 |
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| 둘레 (적도) | 10,921 km |
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| 적도 반지름 | 1,738.1 km | 적도 방향으로 측정된 반지름 |
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| 부피 | 2.1958×10¹⁰ km³ |
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| 극 반지름 | 1,736.0 km | 극 방향으로 측정된 반지름 |
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| 표면적 | 3.793×10⁷ km² |
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| 편평률 | 0.0012 | 적도–극 반지름 비로 표현된 형상 편차 |
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| 질량 | 7.342×10²² kg |
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| 표면적 | 3.793×10⁷ km² | 지구의 약 7.4% |
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| 평균 밀도 | 3.344 g/cm³ |
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| 부피 | 2.1958×10¹⁰ km³ | 지구의 약 2% |
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| 표면 중력 | 1.622 m/s² |
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| 질량 | 7.342×10²² kg | 지구 질량의 약 1/81 |
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| 탈출 속도 | 2.38 km/s |
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| 평균 밀도 | 3.344 g/cm³ | 지구보다 낮음 |
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| 공전 주기 | 27.321661 일 |
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| 표면 중력 | 1.622 m/s² | 지구의 약 0.166 g |
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| 삭망 주기 | 29.530589 일 |
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| 탈출 속도 | 2.38 km/s | 지구의 약 21% 수준 |
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| 적도 회전 속도 | 4.627 m/s |
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| 자전 주기 | 27.321661 일 | 공전과 동주기 회전(tidal lock) |
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| 삭망 주기 | 29.530589 일 | 달의 위상 변화 주기 |
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달의 표면 중력은 지구의 약 1/6 수준이며, 낮은 중력은 기지 구조물의 하중 부담을 줄이는 이점이 있습니다.
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달의 낮은 중력은 구조물의 자체 하중 부담을 줄이는 긍정적 요인이지만,
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착륙 안정성과 유성체 충돌 시 반사 궤적에 영향을 미친다.
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## [달의 궤도](달의-궤도)
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## 달의 궤도
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| 항목 | 값 |
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달은 지구 주위를 거의 원형에 가까운 타원 궤도로 공전한다.
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| 지구와의 평균거리 | 384,400 km |
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| 항목 | 값 | 설명 |
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| 근지점 | 363,300 km |
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| 원지점 | 405,500 km |
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| 평균 거리 | 384,400 km | 지구 중심에서 달 중심까지의 평균 거리 |
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| 평균 이심률 | 0.0549 |
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| 근지점 거리 | 363,300 km | 지구에 가장 가까운 지점(Perigee) |
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| 궤도 속도 | 1.022 km/s |
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| 원지점 거리 | 405,500 km | 지구에서 가장 먼 지점(Apogee) |
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| 자전축 기울기 | 6.687° |
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| 궤도 이심률 | 0.0549 | 약간 찌그러진 타원 궤도 |
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| 궤도 경사 | 5.15° |
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| 평균 궤도 속도 | 1.022 km/s | 공전 주기 27.32일에 해당 |
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| 항성 주기 | 27.322 일 |
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| 궤도 경사 | 5.15° | 지구 공전면(황도면) 기준 |
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| 세차운동 주기 | 8.85 년 |
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| 자전축 경사 | 6.687° | 자전축이 약간 기울어져 있음 |
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| 근지점 세차 주기 | 18.6년 | 궤도 타원의 회전 주기 |
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| 궤도면 세차 주기 | 8.85년 | 궤도면의 회전 주기 |
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### 타원 궤도
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### 타원 궤도
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달은 거의 원형에 가까운 타원 궤도로 공전합니다. 근지점과 원지점 간 거리 차이는 약 11%이며, 이심률은 0.0549입니다.
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달은 긴반지름 384,400 km, 짧은반지름 383,800 km로 거의 원형에 가까운 궤도를 가진다.
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근지점과 원지점 간의 거리 차이는 약 11%이며, 이심률은 0.0549이다.
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### 세차운동
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### 세차운동
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달의 궤도 방향은 시간에 따라 서서히 회전합니다. 궤도면은 약 8.85년 주기로 세차운동하며, 이는 궤도 안정성과 달 탐사 궤도 설계에 영향을 줍니다.
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달의 궤도면과 장축은 시간에 따라 서서히 회전한다.
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장축은 약 8.85년 주기로 360° 회전하며, 이는 궤도 설계와 중력장 해석에 영향을 미친다.
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## [구성 성분](구성-성분)
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## 구성 성분
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### 1. 표면 원소 구성
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### 표면 구성 원소
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달 표면은 산소(O), 규소(Si), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al) 등의 원소로 이루어져 있다.
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달 표면은 주로 산소(O), 규소(Si), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al) 등으로 이루어져 있습니다.
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달의 ‘바다(Mare)’ 지역과 ‘고원(Highland)’ 지역은 화학 조성에서 뚜렷한 차이를 보인다.
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| 화합물 | 바다 지역 | 고원 지역 |
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| 화합물 | 바다 지역 | 고원 지역 |
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|---------|------------|------------|
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|---------|------------|------------|
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| ... | @@ -64,79 +73,118 @@ |
... | @@ -64,79 +73,118 @@ |
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| MgO | 9.2% | 7.5% |
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| MgO | 9.2% | 7.5% |
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| TiO₂ | 3.9% | 0.6% |
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| TiO₂ | 3.9% | 0.6% |
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### 대기 (Exosphere)
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바다 지역은 철과 티타늄 함량이 높고, 고원 지역은 알루미늄과 칼슘이 풍부하다.
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달은 대기가 거의 없지만, 매우 희박한 외기권이 존재합니다.
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이는 달의 초기 용융 분화 과정에서 밀도 차이에 따른 성분 분리의 결과이다.
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### 2. 대기 (Exosphere)
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달에는 사실상 대기가 없지만, 매우 희박한 외기권(exosphere)이 존재한다.
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이 영역의 입자들은 서로 충돌하지 않는 비충돌성(non-collisional) 환경에서 움직인다.
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| 성분 | 밀도 (cm⁻³) |
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| 성분 | 밀도 (cm⁻³) |
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|------|--------------|
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|------|--------------|
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| H | < 17 |
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| He | 2×10³ – 4×10⁴ |
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| He | 2×10³ – 4×10⁴ |
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| Ar | 4×10⁴ |
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| O | < 500 |
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| Na | 170 |
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| Na | 170 |
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| K | 17 |
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| K | 17 |
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| O | <500 |
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| Ar | 4×10⁴ |
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이 외기권은 태양풍, 미소 운석 충돌, 방사성 붕괴에 의해 형성되며, 극지의 음영 지역에서는 물 분자가 포획될 가능성도 제기됩니다.
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전체 입자 밀도는 약 10³~10⁴ cm⁻³ 수준이며, 압력은 10⁻¹² bar 이하이다.
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이 외기권은 태양풍 입자 충돌, 미소 운석 충돌, 방사성 붕괴, 열 탈착 등에 의해 유지된다.
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극지의 영구 음영 지역에서는 수소와 산소의 결합으로 물 분자가 포획될 가능성이 있다.
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## [온도](온도)
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## 온도
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달 표면은 극심한 온도 변화를 겪습니다.
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달 표면은 극단적인 온도 변화를 겪는다.
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- **적도 지역**: 최대 +119 °C, 최소 −179 °C (일교차 ≈ 300 K)
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| 구분 | 최대 온도 | 최소 온도 | 일교차 |
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- **극지방**: 최대 −71 °C, 최소 −223 °C (일교차 ≈ 150 K)
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|------|------------|------------|--------|
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| 적도 지역 | +119 °C (392 K) | −179 °C (94 K) | 약 300 K |
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| 극지방 (위도 85° 이상) | −71 °C (202 K) | −223 °C (50 K) | 약 150 K |
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극지방의 영구 음영 지역은 극도로 낮은 온도를 유지하며, 수분이 얼음 형태로 존재할 가능성이 있습니다.
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남극은 북극보다 평균적으로 약 11 K 더 따뜻하다.
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이러한 극단적인 온도차는 열응력(thermal stress)을 유발하며,
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달 기지의 구조 설계 및 방열 시스템 설계에 큰 영향을 미친다.
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## [중력](중력)
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## 중력
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### 1. 중력가속도
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### 중력가속도
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달의 평균 중력가속도는 1.622 m/s²로, 지구의 약 1/6 수준이다.
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달의 평균 중력가속도는 1.622 m/s²로, 지역에 따라 ±0.02 ~ 0.03 m/s² 변동합니다. 이는 GRAIL 임무에서 확인된 질량 집중체(mascon) 때문입니다.
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달 내부의 질량 분포는 균일하지 않으며, 지역에 따라 ±0.02~0.03 m/s²의 편차가 존재한다.
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이는 질량 집중체(mascon)의 존재 때문이며, 궤도 안정성과 착륙 지점 선택에 영향을 미친다.
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### 질량
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GRAIL 임무에 따르면 달의 GM 값은
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(4.90279981 ± 0.00000774)×10¹² m³/s²이며, 질량은 7.3×10²² kg으로 계산됩니다.
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### 중력계수 (Love Number)
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### 2. 달의 질량
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| 계수 | 값 |
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| C₂₀ | −9.088×10⁻⁵ |
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| C₂₂ | 3.467×10⁻⁵ |
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| k₂₀ | 0.0246 |
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| k₂₁ | 0.0239 |
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| k₂₂ | 0.0248 |
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Love number는 달이 완전한 강체가 아니며 부분적으로 유동적인 내부를 가짐을 의미합니다.
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달의 중력상수곱(GM)은 (4.90279981 ± 0.00000774)×10¹² m³/s²이다.
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이를 통해 계산된 달의 질량은 약 7.3×10²² kg이다.
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이 값은 달의 내부 밀도 구조를 해석하고 핵의 상태를 추정하는 데 사용된다.
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## [내부구조](내부구조)
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### 3. 중력 계수 및 Love Number
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달 내부는 반지름 약 350 km의 금속 핵을 중심으로 한 다층 구조로 이루어져 있습니다.
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| 계수 | 값 | 의미 |
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| C₂₀ | −9.088×10⁻⁵ | 달의 편평도 반영 |
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| C₂₂ | 3.467×10⁻⁵ | 비대칭적 질량 분포 반영 |
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| k₂₀ | 0.0246 | 조석 변형 정도 |
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| k₂₁ | 0.0239 | 조석 변형 정도 |
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| k₂₂ | 0.0248 | 조석 변형 정도 |
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| k₃₀ | 0.00734 | 고차항 Love number |
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- **핵**: 철(Fe), 황(S), 니켈(Ni) 합금, 고체 내핵과 액체 외핵 존재
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Love number가 0.02~0.03 수준이라는 것은 달 내부가 완전한 고체가 아니며,
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- **맨틀**: 부분 용융층이 존재
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부분적으로 유동적인 성질을 가진다는 것을 의미한다.
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- **지각**: 평균 두께 약 50 km
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### 달지진
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아폴로 탐사선에 설치된 지진계는 1969–1977년 사이 12만 건 이상의 달지진을 기록했습니다.
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달지진은 심부, 천부, 운석 충돌, 열 달지진으로 구분되며, 내부 구조와 열적 진화를 이해하는 단서를 제공합니다.
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## 내부 구조
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달 내부는 반지름 약 300~400 km의 금속 핵을 중심으로 한 다층 구조로 이루어져 있다.
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- **핵(Core)**: 철(Fe), 황(S), 니켈(Ni) 합금으로 구성되어 있으며,
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반지름 약 240 km의 고체 내핵과 액체 외핵이 존재한다.
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- **맨틀(Mantle)**: 부분 용융 상태의 천이층이 존재하며, 지진파 분석 결과 유동성이 확인된다.
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- **지각(Crust)**: 평균 두께는 약 50 km이며, 고지대는 두껍고 ‘바다’ 지역은 얇다.
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## [월자기](월자기)
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### 달지진 (Moonquake)
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달에는 전역적인 자기장은 없으나, **국지적 지각 자기 이상(crustal magnetic anomaly)** 이 존재합니다.
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아폴로 탐사선에 설치된 지진계는 1969년부터 1977년까지 약 12만 건 이상의 달지진을 기록하였다.
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대표적인 지역으로는 **Reiner Gamma**와 **South Pole–Aitken 분지**가 있습니다.
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달지진은 다음과 같이 네 종류로 구분된다.
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- 강도: 수 nT ~ 수 백 nT
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1. **심부 달지진** — 깊이 700~1200 km에서 발생하며, 지구와 태양의 조석력에 의해 주기적으로 발생한다.
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- 범위: 수 km ~ 수 백 km
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2. **천부 달지진** — 표면 근처에서 발생하며, 최대 규모 M5 수준의 강도를 보인다.
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- 일부 지역에서는 태양풍 입자를 편향시켜 **소규모 자기권(mini-magnetosphere)**을 형성합니다.
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3. **운석 충돌 진동** — 외부 운석 충돌에 의한 단기 진동이다.
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4. **열 달지진** — 낮과 밤의 급격한 온도 변화에 따른 열응력으로 발생한다.
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이 현상은 달의 표면 방사선 환경과 플라즈마 상호작용 연구에 중요한 자료를 제공합니다.
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이러한 진동 데이터는 달의 내부 밀도 구조와 열 진화 과정을 이해하는 데 중요한 단서가 된다.
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**[다음 페이지 → 달에서의 입자 플럭스](달에서의-입자-플럭스)** |
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## 월자기 (Lunar Magnetism)
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달은 전역적인 자기장을 가지고 있지 않지만, 국지적인 지각 자기 이상(crustal magnetic anomaly)이 존재한다.
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이들은 주로 고대 충돌 분지 지역에 집중되어 있으며, 강도는 수십에서 수백 nT에 이른다.
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대표적인 지역은 **Reiner Gamma**, **Serenitatis 분지**, **South Pole–Aitken 분지**이다.
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이 지역에서는 태양풍 입자가 표면에 직접 도달하지 못하고 편향되어
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소규모 자기권(mini-magnetosphere)을 형성한다.
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이 미니 자기권에서는 태양풍과의 상호작용으로 작은 플라즈마 충격파와 난류 영역이 발생한다.
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이는 지구 자기권의 축소판과 유사한 구조이며, 달 표면의 플라즈마 환경 연구에 중요한 단서를 제공한다.
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## 참고
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