달이 지구에서 멀어지는 이유

지구에서 멀어지는 달: 달 레이저 거리 측정

달은 해마다 약 3.8센티미터씩 지구에서 멀어지고 있습니다. 이 사실을 아는 건 지구에서 쏜 레이저가 달에 놓인 반사경에 맞고 되돌아오고, 그 빛의 왕복 시간을 재기 때문입니다. 이것을 달 레이저 거리 측정이라고 합니다. 2025년 3월, 새 반사경이 착륙한 다음 날 프랑스의 한 관측소가 그 반사경까지의 거리를 통계적 불확도 1밀리미터 미만으로 측정했습니다.

그보다 2천여 년 전, 바빌론의 천문학자들은 개기일식을 기록했습니다. 지구가 하루를 정확히 86,400초로 한 치의 오차 없이 돌았다면, 그 일식은 경도로 약 50도 더 서쪽에서 보였을 것입니다. 점토판과 레이저가 역사의 양 끝에서 같은 느린 변화를 재고 있는 셈입니다. 여기에 화석과 고대 암석, 해양 위성 자료를 더하면 대부분의 설명이 빠뜨리는 이야기가 나옵니다.

달은 일정한 속도로 멀어지지 않습니다. 지금 달은 지난 수억 년 대부분의 기간보다 더 빨리 멀어지고 있으며, 그 이유는 우리 바다의 모양에 있습니다.

빨라지는 것처럼 보였던 달

첫 단서는 뜻밖의 곳에서 나왔습니다. 1695년, 에드먼드 핼리는 시리아 사막의 고대 도시 팔미라 유적에 관한 논문을 발표했습니다. 논문 끝에서 그는 여행자들에게 바그다드, 알레포, 알렉산드리아에서 월식을 관측해 그 도시들의 정확한 위치를 밝혀 달라고 부탁했습니다. 그렇게 하면 달의 운동이 얼마나 빨라지고 있는지 계산할 수 있다고 그는 썼습니다.

옛 일식 기록을 현대 기록과 비교하자, 달은 세기가 지날 때마다 궤도에서 조금씩 앞서 나가는 것처럼 보였습니다. 1780년대에 피에르시몽 라플라스가 그 답으로 보이는 것을 찾아냈습니다. 태양을 도는 지구 궤도의 모양은 서서히 변하고, 그에 따라 태양이 달을 끌어당기는 세기도 달라집니다. 그 설명은 약 70년 동안 받아들여졌습니다.

그러다 1853년, 해왕성의 위치를 예측하기도 했던 천문학자 존 카우치 애덤스가 계산을 다시 했습니다. 그는 오류를 찾아냈고, 라플라스의 효과는 관측값의 절반 정도로 줄어들었습니다. 달이 빨라지는 것처럼 보이는 현상의 절반은 설명할 길이 없었습니다. 1860년대에 파리의 샤를외젠 들로네와 미국의 윌리엄 페럴이 하나의 설명을 내놓았습니다.

어쩌면 달이 실제로 빨라지는 게 아닐지도 모릅니다. 어쩌면 우리의 시계가 느려지고 있는 것일지도 모릅니다. 그 시계는 바로 지구였고, 조석이 지구의 자전에 브레이크를 걸고 있었습니다. 하루가 전날보다 조금씩 길어진다면, 일 단위로 측정한 것은 무엇이든 빨리 가는 것처럼 보일 것입니다.

1939년, 영국 왕실 천문학자 해럴드 스펜서 존스는 증거를 모아 달과 태양, 수성, 금성이 모두 함께 예정에서 어긋나고 있음을 보였습니다. 서로 다른 궤도를 도는 네 천체가 우연히 똑같이 어긋날 수는 없습니다. 잘못은 시간을 재는 쪽, 즉 완벽한 시계가 아닌 지구의 자전에 있었습니다.

점점 길어지는 하루

그렇다면 하루는 얼마나 길어졌을까요? 2016년, 리처드 스티븐슨이 이끈 연구팀은 거의 3천 년에 걸친 관측 기록을 한데 모았습니다. 그들은 기원전 720년까지 거슬러 올라가는 바빌론, 중국, 고대 그리스, 중세 아랍 세계의 일식 기록과 달이 별 앞을 지나가는 시각을 잰 약 50만 건의 기록을 사용했습니다. 바빌론의 점토판은 알고 보니 정밀한 측정 도구였습니다.

개기일식은 좁은 그림자 띠 안에서만 보이기 때문에, 해가 어두워졌다는 한 줄의 기록만으로도 지구가 얼마나 돌았는지 알 수 있습니다. 그들의 결론은 하루가 평균적으로 100년에 약 1.8밀리초씩 길어져 왔다는 것입니다. 아무것도 아닌 것처럼 들리지만, 이것이 쌓입니다. 기원전 700년 무렵에는 지구의 자전과 완벽하게 일정한 시계 사이의 차이가 약 5시간 반에 이릅니다.

그리고 나중에 중요해지는 세부 사항이 하나 있습니다. 오늘날 측정한 조석 마찰만으로는 하루가 100년에 약 2.3밀리초씩 길어졌어야 합니다. 다른 무언가가 지구의 자전을 조금 빠르게 해 왔다는 뜻입니다. 그 일부는 마지막 빙하기가 끝난 데 있습니다.

거대한 빙상이 녹자 그 아래 땅이 천천히 다시 솟아오르기 시작했고, 지구는 약간 덜 납작해져서 팔을 끌어당기는 스케이트 선수처럼 조금 더 빨리 돌기 시작했습니다. 일부는 지구 깊은 곳, 핵과 맨틀이 상호작용하는 곳에서 오는 것으로 보입니다.

윤초의 끝

하루가 길어지기 때문에 윤초가 생겼습니다. 공식적인 1초는 대략 1820년 무렵의 하루 길이에 해당하는 방식으로 천문시에 맞춰졌습니다. 2008년 무렵, 평균적인 하루는 그보다 약 2.5밀리초 더 길었습니다. 1년이면 이것이 대략 1초가 됩니다.

그래서 1972년 이후 전 세계의 시계에는 윤초가 27번 더해졌는데, 모두 1초를 추가하는 윤초였고 마지막은 2016년 말이었습니다. 그런데 지난 몇 년 동안 지구는 다시 조금 더 빨리 돌고 있습니다. 한 분석은 이것을 액체 외핵과 연결 짓는데, 외핵이 느려지면서 그 회전을 지구의 나머지 부분에 넘겨주고 있다는 것입니다. 그래서 1초를 빼는 음의 윤초라는, 아무도 겪어 보지 못한 가능성이 생겼습니다.

그린란드와 남극의 얼음이 녹으면서 그 시점이 뒤로 밀렸습니다. 오늘날 녹은 물은 적도 쪽으로 퍼져 지구를 느리게 하는데, 2024년의 한 연구는 이 때문에 음의 윤초가 필요한 시점이 약 3년 늦춰져 2029년이 되었다고 추정했습니다. 2026년 10월, 국제도량형총회는 2027년 5월부터 전 세계의 시계를 윤초 없이 운영하기로 결정해, 원자시와 지구 자전이 최대 1시간까지 벌어지도록 허용했습니다. 장기적인 추세는 조석이 정하고, 핵과 녹는 얼음은 수십 년 단위로 그 추세를 흔듭니다.

달 위의 반사경

첫 시도들은 장비가 없는 달 표면을 겨냥했습니다. 1962년, MIT 연구진은 펄스 레이저를 맨 달 표면에 쏘아 희미한 반사 신호를 잡아냈습니다. 1년 뒤 소련 과학자들도 크레이터를 겨냥해 같은 일을 했지만, 그들이 잰 거리는 여전히 100킬로미터 넘게 불확실했습니다. 더 나은 표적이 필요했습니다.

1969년 7월 21일, 아폴로 11호 우주비행사들은 작은 유리 코너 큐브 100개로 된 패널을 달에 설치했습니다. 코너 큐브는 작동하는 각도 범위 안에서 빛을 온 방향으로 곧장 되돌려 보냅니다. 11일 뒤인 8월 1일, 캘리포니아 릭 천문대의 연구팀이 루비 레이저로 그 패널을 맞히고 반사 신호의 시간을 쟀습니다. 빛이 그곳까지 갔다가 돌아오는 데는 약 2.5초가 걸립니다.

아폴로 14호는 두 번째 패널을, 아폴로 15호는 큐브 300개로 된 더 큰 패널을 실어 갔고, 소련의 로버 루노호트 1호와 2호는 프랑스에서 만든 반사경을 싣고 갔습니다. 이 다섯 개의 반사경은 50년 넘게 미국, 프랑스, 이탈리아, 독일, 중국의 관측소에서 측정되어 왔습니다.

광자 하나를 잡는 일

달에 있는 반사경을 맞히는 것은 어려운 부분이 아닙니다. 어려운 건 빛을 돌려받는 일입니다. 레이저 펄스 하나에는 약 30경 개의 광자가 실려 있습니다. 빔은 달에 닿을 때쯤 지름이 약 2킬로미터로 퍼지기 때문에, 반사경에 떨어지는 빛은 극히 일부뿐입니다.

돌아오는 빛은 다시 지구 위 수 킬로미터에 걸쳐 퍼집니다. 보낸 광자 가운데 망원경으로 돌아오는 것은 약 100경 개 중 1개뿐입니다. APOLLO라는 프로젝트가 운영하는 뉴멕시코주 아파치 포인트 관측소에서는 가장 좋았던 관측에서 펄스당 약 3개의 광자를 얻었습니다. 대부분의 밤, 대부분의 관측소에서는 그보다 훨씬 적습니다.

돌아오는 광자 하나하나는 약 100억분의 1초 이내의 정밀도로 시간이 측정됩니다. 거리 1밀리미터는 왕복 시간으로 약 1조분의 7초입니다. 그래서 수 분 동안 모은 수천 개의 광자를 합쳐 하나의 측정값을 만듭니다. 대기는 약 2미터에 해당하는 지연을 더하고 태양의 중력은 지연을 더 보태는데, 둘 다 보정해야 합니다.

반사경도 낡아 가고 있습니다. 반사 신호는 원래보다 약 10배 약한데, 달 먼지가 표면의 절반가량을 덮었기 때문인 것으로 보입니다. 보름달 무렵에는 그 먼지가 햇빛을 흡수해 유리를 고르지 않게 데우면서 신호가 다시 10분의 1 정도로 떨어집니다. 월식 때 반사경이 그림자에 들어가면 신호는 약 15분 안에 회복됩니다.

잃어버린 반사경

반사경 하나는 거의 40년 동안 행방불명이었습니다. 루노호트 1호는 1970년에 착륙했고, 소련 과학자들은 1971년 로버와의 교신이 끊기기 전까지 잠깐 거리를 측정했습니다. 정확한 위치는 널리 공유되지 않았고, 아무도 다시 찾지 못했습니다. 2010년 3월, NASA의 달 정찰 궤도선이 그 로버를 촬영했습니다.

한 달 뒤인 4월 22일, 아파치 포인트 연구팀은 새 좌표를 겨냥해 첫 시도에 약 2천 개의 광자를 받았습니다. 로버는 예상했던 위치에서 약 5킬로미터 떨어져 있었습니다. 그리고 2025년 3월, 블루 고스트라는 민간 착륙선이 메릴랜드 대학교에서 설계한 새 반사경을 내려놓았습니다. 작은 큐브를 여러 개 모은 패널 대신 큰 큐브 하나를 쓰기 때문에, 달이 기울어져 있어도 반사 신호가 선명하게 유지됩니다.

앞서 말한 프랑스 관측소가 착륙 다음 날 측정한 반사경이 바로 이것입니다. 1963년의 100킬로미터 이상 불확도에서 1밀리미터 미만의 예비 통계적 불확도까지 온 것입니다. 같은 데이터로 다른 가설도 검증할 수 있습니다. 만약 중력 자체의 세기가 서서히 변한다면, 그것만으로도 달의 궤도가 커질 수 있습니다.

레이저 거리 측정은 그런 변화를 1년에 1조분의 1 미만으로 제한합니다. 그 정도로는 많아야 달이 멀어지는 현상의 약 1퍼센트만 설명할 수 있습니다. 측정된 달의 후퇴 속도는 위성이 만든 해양 조석 지도에서 예측한 값과 일치합니다. 현재 가장 정확한 값은 연간 38.3밀리미터입니다.

1969년 아폴로 11호가 반사경을 남긴 뒤로 달은 약 2미터 더 멀어졌습니다.

실제로는 없는 조석 팽대부

그렇다면 조석은 어떻게 달을 밀어낼까요? 흔히 보는 그림에서는 달이 지구의 바다를 두 개의 팽대부로 끌어당기는데, 하나는 달 쪽을, 하나는 그 반대쪽을 향합니다. 지구는 달이 공전하는 것보다 빨리 자전하기 때문에, 자전이 팽대부를 달보다 약간 앞쪽으로 끌고 갑니다. 달보다 앞선 팽대부는 달을 궤도 방향으로 끌어당기고, 이 추가적인 당김이 달을 더 넓은 궤도로 올려 보냅니다.

동시에 달은 팽대부를 뒤로 끌어당겨 지구의 자전을 늦춥니다. 각운동량이 지구의 자전에서 달의 공전으로 옮겨 가고, 그 총량은 그대로 유지됩니다. 이 설명은 결과는 맞히지만, 그림은 오해를 부릅니다. 실제 바다에는 팽대부가 두 개 있지 않습니다.

달을 따라가려면 적도의 팽대부는 초속 약 450미터로 지구를 돌아야 합니다. 조석은 아주 긴 파동으로 움직이는데, 깊이 4킬로미터의 바다에서 그 파동은 초속 약 200미터로밖에 이동하지 못합니다. 물이 따라잡지 못하는 것입니다. 대신 조석은 각 해양 분지 안에서 복잡한 파동 패턴을 이루며, 물이 거의 오르내리지 않는 지점을 중심으로 도는 경우가 많습니다.

달은 그 파동 하나하나를 따로 느끼지 않습니다. 달이 느끼는 것은 지구 전체에 걸쳐 평균된, 그 파동들이 합쳐져 만드는 인력입니다. 그 합쳐진 인력이 바로 실질적인 조석 팽대부이며, 달보다 약간 앞에 놓여 있습니다. 실제 분지 속 실제 파동으로 이루어져 있기 때문에, 그것은 바다의 크기와 모양에 따라 달라집니다.

해안선이 바뀌면 브레이크도 바뀝니다.

에너지는 어디로 가나

행성의 자전을 늦추면 막대한 에너지가 나옵니다. 레이저 측정값으로 계산하면, 달이 일으키는 조석은 지구의 자전에서 약 3.3테라와트의 에너지를 빼앗습니다. 그 가운데 약 0.12테라와트, 대략 4퍼센트만이 달을 더 높은 궤도로 올리는 데 쓰입니다. 나머지는 난류와 열로 바뀝니다.

태양이 일으키는 더 작은 조석까지 더하면, 지구는 조석 마찰로 약 3.7테라와트를 잃습니다. 해양학자 월터 뭉크와 칼 분슈는 이 값을 당시 전 세계 발전 설비 용량 전체와 비교했습니다. 그 에너지는 거의 다 바다에서 사라지고, 지구의 단단한 암석에서 사라지는 몫은 아주 작습니다. 그러니까 달이 멀어지는 것은 부수적인 효과입니다.

조석이 지구의 자전에서 빼앗는 에너지 대부분은 바다를 휘젓는 데 쓰입니다.

사라진 1테라와트

20세기 대부분 동안 과학자들은 그 일이 어디서 일어나는지 안다고 생각했습니다. 1919년, 물리학자 G. I. 테일러는 아일랜드해의 조석 마찰을 추정했고, 이후 조석이 얕은 해저를 긁으며 에너지를 잃는다는 생각이 자리 잡았습니다.

그런데 수치를 더해 보니 모자랐습니다. 달이 일으키는 주된 조석 하나만으로도 약 2.4테라와트를 잃고 있어야 했습니다. 얕은 바다로는 그 전부를 설명할 수 없는 것처럼 보였습니다. 답은 우주에서 왔습니다.

TOPEX/Poseidon 위성은 수년 동안 전 지구의 해수면 높이를 조석 지도를 그릴 수 있을 만큼 정밀하게 측정했습니다. 2000년, 개리 에그버트와 리처드 레이는 그 데이터로 얕은 바다가 달의 주된 조석에서 가져가는 에너지가 약 1.6에서 1.8테라와트뿐이라는 것과 나머지가 어디로 가는지를 보여 주었습니다. 모든 조석을 합쳐 약 1테라와트가 깊은 바다의 중앙 해령과 해산, 섬들이 줄지은 곳에서 사라집니다. 조석이 울퉁불퉁한 해저 위를 흐르면 바닷속 차가운 물층과 따뜻한 물층 사이에 파동이 생기고, 그 파동이 부서지며 깊은 물을 섞습니다.

이 혼합은 중요합니다. 극지방 근처에서 가라앉는 차가운 물은 계속 깊은 바다로 흘러드는데, 위에서 따뜻한 물이 섞여 내려오지 않으면 심해는 수천 년 안에 그 차가운 물로 가득 찰 것입니다. 혼합을 유지하려면 약 2테라와트가 필요하고, 연구진은 조석이 그 절반쯤을 공급할 수 있다고 추정했습니다. 얕은 바다도 여전히 중요합니다.

조석 에너지가 가장 많이 사라지는 곳으로는 허드슨만, 유럽 대륙붕의 바다, 오스트레일리아 북서부, 파타고니아 대륙붕, 황해와 동중국해가 꼽힙니다. 달을 밀어내는 마찰, 길어지는 하루, 심해의 혼합은 모두 같은 에너지 흐름의 일부입니다.

돌에 새겨진 달력

조석이 수십억 년 동안 지구를 느리게 해 왔다면, 옛날의 하루는 더 짧았어야 합니다. 1963년, 고생물학자 존 웰스는 산호 화석을 들여다보았습니다. 어떤 산호는 날마다 가는 성장선을 하나씩 더하고, 그 성장선은 1년 단위의 띠로 묶입니다. 살아 있는 산호에서 그는 1년 동안 자란 부분에서 약 360개의 성장선을 셌는데, 1년의 날수와 비슷했습니다.

데본기의 약 3억 8천만 년 된 산호에서는 385개에서 410개, 대개 약 400개를 셌습니다. 1년 자체, 즉 지구가 태양을 한 바퀴 도는 시간은 사실상 변하지 않았습니다. 그러니 1년이 약 400일이었다면 하루는 더 짧아서 22시간에 가까웠을 것입니다. 2020년, 한 연구팀은 약 7천만 년 전 지금의 오만 지역에 살았던 멸종 조개류 루디스트의 화석 껍데기 하나를 연구했습니다.

레이저로 껍데기를 한 층씩 분석한 결과 1년에 372개의 일일 성장층이 있었고, 이는 하루가 약 23시간 반이었다는 뜻입니다. 조석도 기록을 남깁니다. 남오스트레일리아에서는 약 6억 2천만 년 된 암석에, 외해에서 보호된 조석 삼각주에 조석이 쌓은 층이 보존되어 있습니다. 신월과 보름 무렵의 강한 조석은 두꺼운 층을, 그 사이의 약한 조석은 얇은 층을 남겼는데, 약 60년 동안의 조석이 끊김 없이 담겨 있습니다.

이 층들로 지질학자 조지 윌리엄스는 1년이 약 13개월, 400일이었고 하루는 약 22시간이었다고 계산했습니다. 하지만 화석과 조석층은 정밀하게 읽기 어렵습니다. 성장선이 빠져 있을 수도 있고, 같은 암석을 여러 방식으로 셀 수도 있습니다. 그 남오스트레일리아 지층을 분석한 다른 연구팀은 달까지의 거리 추정값을 눈에 띄게 다르게 얻었습니다.

방향은 분명하지만, 수치에는 더 나은 자가 필요합니다.

기후 리듬 속의 달

그 자는 바로 기후였습니다. 지구의 자전축은 팽이처럼 천천히 흔들리고, 이 흔들림은 오늘날 약 2만 년 주기로 계절의 시기를 바꿉니다. 기후가 습해졌다 건조해졌다, 따뜻해졌다 서늘해졌다 하면서 이 주기는 퇴적물에 줄무늬를 남깁니다. 이 흔들림은 태양과 달이 지구의 불룩한 적도를 끌어당겨서 생깁니다.

달이 더 가깝고 지구가 더 빨리 돌던 시절에는 흔들림이 더 빨랐고, 줄무늬도 더 촘촘했습니다. 주로 금성과 목성이 정하는, 현재 약 40만 5천 년 길이의 또 다른 주기는 그렇게 먼 과거까지 안정적이었다는 가정 아래 눈금자 역할을 합니다. 2018년, 스티븐 마이어스와 알베르토 말리네르노는 이 방법을 중국 북부의 약 14억 년 된 암석에 적용했습니다. 그곳에서 흔들림에 따른 기후 주기는 약 1만 2천 년에서 1만 4천 년밖에 되지 않았습니다.

이로부터 달까지의 거리는 약 34만 1천 킬로미터, 하루는 약 18시간 40분으로 나옵니다. 2022년, 마르흐릿 란팅크가 이끄는 연구팀은 더 거슬러 올라가 24억 6천만 년 전에 형성된 서오스트레일리아의 철이 풍부한 암석을 분석했습니다. 그때 달은 약 32만 1,800킬로미터 떨어져 있었고, 하루는 약 17시간이었습니다. 달까지의 거리는 고대 기후의 리듬 속에 새겨져 있습니다.

15억 년 문제

그리고 그 암석들은 과학자들을 수십 년 동안 괴롭혀 온 문제를 드러냅니다. 지금 속도인 연간 3.8센티미터로라면, 달이 지구 바로 옆에서 지금 위치까지 멀어지는 데 약 100억 년이 걸립니다. 충분한 시간처럼 들립니다. 하지만 조석력은 달이 가까워질수록 훨씬 강해집니다.

이를 고려해 오늘날의 조석 마찰을 거꾸로 돌려 보면, 달은 불과 약 15억 년 전에 지구와 거의 맞닿아 있었다는 결과가 나옵니다. 하지만 달의 나이는 대략 45억 년이고, 30억 년보다 오래된 암석에도 이미 조석의 흔적이 있습니다. 그러니 지구 역사의 대부분 동안 달은 지금보다 더 천천히 멀어졌어야 합니다. 서오스트레일리아의 암석도 이와 들어맞습니다.

24억 6천만 년 동안 32만 1,800킬로미터에서 지금 거리까지 가려면, 달은 평균 연간 약 2.5센티미터면 충분했습니다. 그런데 왜 지금은 이렇게 훨씬 빠를까요?

바다의 리듬

그네를 타는 아이를 떠올려 보세요. 아무렇게나 밀면 별일이 일어나지 않습니다. 그네의 박자에 맞춰 밀면 미는 힘이 차곡차곡 쌓입니다. 물이 고인 곳에도 저마다 고유한 리듬이 있습니다.

물은 분지의 크기와 깊이가 정하는 속도로 분지를 가로질러 앞뒤로 출렁입니다. 캐나다의 펀디만과 그 옆 메인만에서는 그 고유 리듬이 약 13시간으로, 12시간을 조금 넘는 달 조석의 리듬과 가깝습니다. 그래서 그곳에서는 조석이 커지고, 만조와 간조의 차이가 16미터 가까이에 이를 수 있습니다. 같은 일이 대양 전체 규모에서도 일어납니다.

오늘날 대서양은 고유 리듬이 하루 두 번 오는 조석과 거의 박자가 맞아 공명에 가까운 상태입니다. 대륙이 이동하면서 해양 분지는 열리고 닫히는데, 오늘날의 바다가 어떻게 모양을 바꿀 수 있는지 조석 시뮬레이션을 해 보면 넓어지는 바다는 나이가 약 1억 4천만 년에서 1억 8천만 년일 때 이 공명에 가까워지는 것으로 나타납니다. 그것은 대략 오늘날 대서양의 나이입니다. 같은 연구진은 이런 강한 조석 시기가 초대륙 주기마다 1번에서 5번 찾아오며, 각각 길어야 약 2천만 년 지속된다고 추정합니다.

그들의 대략적인 추정으로는 이 시기를 합치면 지구 역사의 약 9퍼센트가 됩니다. 우리는 마침 그중 한 시기에 살고 있습니다.

몰아서 멀어지는 달

2022년, 모하마드 파르하트와 자크 라스카르가 이끄는 파리의 연구진은 시간에 따른 지구 조석의 물리 모형을 만들었습니다. 그들은 오늘날 측정된 후퇴 속도와 달의 나이에 맞추기 위해 모형의 설정값 두 개만 조정했습니다. 고대 암석 자료에 맞춰 조정한 것은 하나도 없었습니다. 그런데도 모형의 예측은 14억 년 전과 24억 6천만 년 전 암석의 측정값과 잘 들어맞았습니다.

그 모형에서 달은 꾸준히 멀어지지 않습니다. 대부분의 시간 동안 바다는 공명에서 멀리 떨어져 있고, 달은 아주 천천히 바깥으로 움직입니다. 이따금 조석과 바다의 반응이 변하면서 시스템이 공명을 통과하면, 브레이크가 세게 걸리고 달은 빠르게 밀려납니다. 모형은 지난 7억 년 동안에만 그런 시기를 두 번 찾아냅니다.

그러니 달이 그 어느 때보다 빨리 멀어지고 있다고 말하는 것은 틀립니다. 이런 급격한 시기는 전에도 있었고, 형성 직후의 달은 훨씬 더 빠르게 멀어졌습니다. 하지만 역사 대부분과 비교하면 오늘날의 속도는 이례적으로 빠릅니다.

빙하기와 녹는 얼음

바다의 모양이 중요하다면 깊이도 중요합니다. 마지막 빙하기에는 너무 많은 물이 얼음에 갇혀 해수면이 약 100미터 낮았습니다. 넓고 얕은 대륙붕이 말라 드러났고, 대서양의 조석은 훨씬 커졌습니다. 달의 주된 조석을 다룬 한 모형에서는 조석 에너지 손실이 약 절반만큼 늘었고, 심해에서는 거의 세 배가 되었습니다.

빙하기 동안 달은 아마 지금보다 더 빨리 밀려나고 있었을 것입니다. 오늘날 녹는 얼음이 다시 바다를 바꾸고 있습니다. 한 연구는 해수면과 바닷물 층 구조의 변화가 1900년 이후 달의 후퇴 속도를 연간 약 1밀리미터 높였다고 추정했습니다. 이 수치는 레이저 데이터에서 직접 나온 것이 아니라 모형과 과거 기록에서 나온 것입니다.

그리고 이것은 윤초를 늦추는 효과와는 다른 효과입니다. 적도 쪽으로 이동하는 물은 달에 아무것도 넘겨주지 않고 하루를 길게 만듭니다. 그 추정에서 달을 더 밀어내는 것은 조석 마찰의 변화입니다.

하루가 19시간에 멈춰 있었나?

이 역사가 모두 밝혀진 것은 아닙니다. 2023년, 두 연구진은 약 20억 년 전부터 10억 년 넘게 하루가 길어지기를 멈추고 약 19시간에 머물렀다는 가설을 내놓았습니다. 그들이 내놓은 설명은 두 번째 종류의 조석, 바로 대기의 조석입니다. 햇빛은 날마다 대기를 데우고, 그 가열은 대기에 조석을 일으켜 지구의 자전을 약간 앞으로 밀어 줍니다.

대기가 마침 알맞은 시기에 공명했다면, 그 밀어 주는 힘이 달의 브레이크와 균형을 이뤘을 수 있습니다. 두 연구팀 중 한 팀은 그 정체기가 없었다면 오늘날의 하루가 65시간보다 길었을 것이라고 계산했습니다. 하지만 그들의 모형에는 섭씨 약 40에서 55도의 평균 지표 온도가 필요했고, 저자들 스스로도 받아들이기 어려울 만큼 높다고 인정했습니다. 파리 연구진을 비롯한 다른 연구자들은 이에 동의하지 않습니다.

그들은 그 정체기 가설이 오래되고 불확실한 화석 자료에 기대고 있다고 주장하며, 그들 자신의 대기 조석 모형에서는 오늘날과 비슷한 온도라면 공명이 훨씬 나중에 왔고 너무 약했던 것으로 나옵니다. 가장 확실한 검증은 10억 년에서 20억 년 된 암석에서 기후 리듬을 더 찾아내는 것입니다. 지금으로서는 열린 문제입니다.

주먹만 한 달

처음으로 돌아가 봅시다. 달의 기원을 설명하는 가장 유력한 가설은 거대 충돌입니다. 지구 역사 초기, 어쩌면 화성만 한 천체가 어린 지구에 부딪혔고, 궤도로 튕겨 나간 파편이 모여 달이 되었습니다. 시뮬레이션에 따르면 파편은 1년도 안 되어 달로 뭉쳤고, 그 위치는 지구 중심에서 지구 반지름의 약 3에서 5배밖에 되지 않았습니다.

오늘날 달은 지구 반지름의 약 60배 거리에 있습니다. 그 거리라면 어린 달은 지름이 지금보다 약 16에서 37배 커 보였을 것입니다. 팔을 쭉 뻗었을 때 주먹 한두 개 너비쯤으로 보였을 것입니다. 지구와 달 전체의 회전을 모두 지구에 되돌려 놓으면 하루는 약 4시간이 되고, 일부 모형은 어린 지구가 그보다 더 빨리 돌았다고 봅니다.

그 뒤로 조석 마찰은 계속 지구의 회전을 달로 옮겨 왔고, 오늘날 그 일은 주로 바다를 통해 일어납니다.

마지막 개기일식

앞으로는 어떻게 될까요? 달이 지금 속도로 계속 멀어진다면, 결국 너무 작아 보여서 태양을 완전히 가리지 못하게 됩니다. 천문학자 장 메이우스의 잘 알려진 추정에 따르면, 개기일식은 약 6억 2천만 년 뒤부터 사라지기 시작해 약 12억 년 뒤에는 완전히 끝납니다. 이 시점은 달이 실제로 얼마나 빨리 움직이느냐에 달려 있고, 대서양이 영원히 공명 상태에 머물지도 않습니다.

달은 지구 자전축의 기울기도 안정시킵니다. 계산에 따르면 달이 멀어지고 지구가 느려지면서, 지금부터 15억 년에서 45억 년 사이 어느 시점에 지구의 기울기가 불안정해질 수 있습니다. 교과서는 종착점도 설명합니다. 다른 요인이 끼어들지 않는다면 지구는 하루가 달의 공전 주기와 같아질 때까지 느려지며, 그때 하루는 지금의 약 47일이고 달은 약 55만 킬로미터 떨어져 있게 됩니다.

그래도 달이 우리를 떠나지는 않는데, 그 거리도 지구 중력이 붙잡아 둘 수 있는 범위 안쪽이기 때문입니다. 하지만 지구는 아마 거기까지 가지 못할 것입니다. 태양은 1억 1천만 년마다 약 1퍼센트씩 서서히 밝아지고 있습니다. 대략 10억 년 뒤에는 바다가 증발하기 시작할 만큼 밝아질 것으로 예상됩니다.

그리고 지구 자전에 걸리는 브레이크의 대부분은 바다입니다. 바다가 없으면 달의 후퇴는 아마 크게 느려질 것입니다. 개기일식의 종말과 바다가 사라지기 시작하는 시점은 둘 다 대략 10억 년 뒤에 올지도 모릅니다.

측정은 계속된다

2026년 4월, 아르테미스 II의 우주비행사 네 명이 달 주위를 비행해 반세기 넘게 만에 처음으로 그곳까지 간 사람들이 되었습니다. 달 표면에서는 옛 아폴로 반사경이 여전히 쓰이고 있고, 앞으로의 착륙선에도 새 반사경이 실릴 예정입니다. 관측소가 달에서 돌아온 광자 몇 개를 잡아내는 밤마다, 바빌론의 점토판에서 시작된 기록이 조금씩 더 쌓입니다. 달은 해마다 약 3.8센티미터씩 지구에서 멀어지고 있습니다.

그 숫자는 바다의 크기와 깊이, 바다를 담고 있는 해안선의 모양에서 나옵니다. 그리고 해양 분지가 늘 그래왔듯 대서양이 조석과 박자가 어긋나게 되면, 그 숫자는 다시 바뀔 것입니다.