지금부터 조선시대의 관측 방식을 바탕으로 협동 안시 관측을 진행하며, 달의 움직임을 함께 기록한다.
사전 활동을 통해 관측을 준비한다.
다음의 세부 활동을 단계적으로 수행한다.
활동 ① 관측 대상 이해하기
활동 ② 관측 도구 사용법 이해하기
활동 ③ 관측 계획하기
이 활동에서는 눈으로 관측하기에 가장 적합한 대상인 "달"을 관측할 것이다.
달에 대해 어떤 정보를 알아낼 수 있을지 탐색한다.
(1) 달의 위상 변화
달의 위상은 삭 → 초승달 → 상현달 → 망 → 하현달 → 그믐달 → 삭 순으로 변한다.
원인: 달, 지구, 태양의 상대적인 위치 변화
특징: 위상에 따라 관측 가능한 시각이 다르다.
초승달: 초저녁 서쪽 하늘 (짧게)
상현달: 해진 후 남쪽 하늘~자정까지
보름달: 일몰 후부터 새벽까지 약 12시간
하현달: 자정 이후~해 뜨기 전
그믐달: 새벽 동쪽 하늘 (짧게)
▲그림1. 달, 지구, 태양의 상대적 위치에 따른 달의 위상1
(2) 달의 위치 변화
매일 같은 시각에 달을 관측하면 달은 전날보다 약 13°만큼 동쪽으로 이동해 있다. → 이는 달이 하루 동안 서→동으로 공전하기 때문
달이 뜨는 시각은 매일 약 52분씩 늦어진다.
▲그림2. 달의 위치 변화(초저녁/새벽녘)1
(3) 달의 남중 고도
위상이 같아도 달의 적위 변화에 따라 남중 고도가 달라진다.
달의 남중 고도(h): h = 90° - φ + δ (φ: 관측 지방의 위도, δ: 달의 적위)
계절별 차이:
겨울 보름달 → 남중고도가 높음.(밤의 길이가 김.)
여름 보름달 → 남중고도가 낮음.(밤의 길이가 짧음.)
북반구 위도 37.5° 기준: 보름달의 남중 고도는 약 29°~76° 사이에서 변화
(4) 달의 공전 주기
항성월: 약 27.3일 (달의 실제 공전 주기)
삭망월: 약 29.5일 (달의 위상 주기, 음력 한 달)
삭망월이 더 긴 이유: 달이 공전하는 동안 지구도 태양 주위를 공전하기 때문
옛사람들은 눈과 천문의기로 측정했지만, 오늘날 우리는 스마트폰으로 쉽게 측정할 수 있다.
이 활동에서는 스마트폰을 이용해서 달의 고도와 방위각을 측정한다.
스마트폰의 카메라와 가속도계를 활용해 천체의 고도를 측정하는 앱으로, 전통적인 육분의기와 유사한 기능을 수행한다.
이 앱에서는 다음과 같은 세 가지 고도 값을 제공한다.
Altitude: 현재 화면 중앙 십자선이 가리키는 실시간 고도
Hs (Sextant Altitude): 실제로 측정한 고도 (육분의기 고도)
Hc (Calculated Altitude): 천문력 기반 이론 고도값
이 활동에서는 Hs 값을 이용한다. (오른쪽 그림의 빨간색 네모칸)
관측할 천체를 향해 스마트폰을 맞춘다.
화면의 십자선을 천체 위에 두고 손가락으로 누르면 Hs 값이 자동으로 기록된다.
이렇게 얻은 값을 관측 로그에 기록한다.
📖 자세한 사용법은 CamSextant 메뉴얼에서 확인할 수 있다.
▲그림3. CamSextant 앱으로 측정한 달의 고도(50°34.0') 화면
▲그림4. iOS 나침반 앱으로 측정한 방위각(198° (남쪽 방향)) 화면
스마트폰에 내장된 나침반 앱을 이용하면 천체가 위치한 방위각을 손쉽게 알 수 있다.
이 활동에서는 방위각을 북점(0°)을 기준으로 하여, 나침반 앱에 표시된 숫자 값을 그대로 사용한다. (왼쪽 그림의 빨간색 네모칸)
관측할 천체가 있는 방향으로 스마트폰을 향하게 둔다.
스마트폰을 지면과 평행하게 유지한다.
나침반 화면에 표시된 방위각 값을 관측 활동에 활용한다.
✍️ 방위각이란?
북점(0°)을 기준으로 시계 방향으로 잰 각도로, 천체가 어느 방향에 있는지 나타낸다. (0°~360°)
[활동 Tip] 달을 관측하기 전에 교실 천장 조명을 대상으로 고도와 방위각 측정을 연습해 보자.
본격적으로 달을 관측하기 전에 날짜·시간, 장소, 역할, 기록 방법, 안전, 준비물을 미리 계획해 두어야 한다.
아래 내용을 참고하여 팀별 관측 계획을 세워보자.
관측 일정을 정할 때 가장 먼저 고려해야 할 것은 기상 상황이다. 맑고 구름 없는 날을 선택하고, 미리 일기예보를 확인한다.
달이 언제 뜨고 지는지, 어떤 모양(위상)으로 보이는지도 확인해야 한다.
한국천문연구원 월별 천문현상 https://astro.kasi.re.kr/life/pageView/7
▲그림5. 월별 천문현상 검색 화면2
다음 조건을 고려하려 관측 장소를 선택한다.
시야 확보: 동서남북 하늘이 트여 있고, 나무·건물·산 등에 가리지 않는 곳
지형적 안정성: 넓고 평평하여 이동과 자리잡기가 쉬운 공간
빛 공해 최소화: 가로등, 건물 불빛 등이 적은 곳
여러 명이 함께 협력하여 관측을 진행할 수 있도록 역할을 나눈다.
관측자(Observer): 달을 관측하고 측정
기록자(Recorder): 관측 수치를 활동지에 기록
시간 관리자(Time Keeper): 일정 시간 간격마다 관측 시작 알림
스케치/묘사 담당(Sketcher/Describer): 달의 모양이나 특징을 그림, 글로 기록
안전 담당(Safety): 주변 환경과 안전 상태 확인
예) 4명이 관측하는 경우 → 관측자 2명, 기록자 1명, 시간 관리자 1명
얼마 간격으로 기록할지 정한다.
예: 30분 간격, 총 10회 관측
기록할 데이터가 어떻게 분석될지 이해한 후, 고도와 방위각 등을 어떤 단위로 기록할지 정한다.
예: 분도초(DMS) 단위로 기록
야외 관측 시 반드시 안전 수칙을 숙지해야 한다.
따뜻한 복장과 개인 방한·안전 용품 준비
장비 주의: 망원경, 삼각대 등에 걸려 넘어지지 않도록 조심
곤충·동물 주의: 모기, 벌레 등 주의
기타: 차량 주의, 응급처치 방법 확인 등
관측 활동에 필요한 준비물을 사전에 준비하고, 체크리스트를 통해 확인한다.
이 활동에서는 Ⅱ-2.에서 제작한 활동지(오른쪽)를 사용한다.
▲그림6. 준비물 체크리스트 예시
계획에 따라 다음 절차를 참고하여 달을 관측한다.
(1) 관측 장소 확인
나침반 앱을 이용해 해당 위치의 위도와 경도를 측정하고, 활동지에 기록한다.
(2) 대기 상태 기록
구름, 안개, 미세먼지 등 하늘의 상태를 판단하고 활동지에 기록한다.
(3) 달 고도·방위각 측정
관측 도구(앱)을 활용하여 달의 고도와 방위각을 측정하고 기록한다.
⚠️※ 관측을 시작하기 전, 스마트폰을 한 번 껐다 켠 후 GPS 시간을 동기화하여 정확한 관측 시간을 기록한다.
(4) 반복 관측
일정한 시간 간격에 따라 3번 과정을 여러 차례 반복하여 기록한다.
(5) 추가 관찰
고도와 방위각 외에도 달의 위상, 색깔 등의 특징을 스케치하거나 구체적으로 묘사를 활동지에 기록한다.
달 관측 결과를 정리하고, Python을 이용하여 분석하고 결과를 해석한다.
다음의 세부 활동을 단계적으로 수행한다.
활동 ① 관측 데이터 정리하기
활동 ② 관측 데이터 분석하기
활동 ③ 분석 결과 해석하기
활동 ④ 심화 활동-이론 값과 비교하기
python을 활용해 결과를 분석하기 위해서는 관측 데이터(고도, 방위각)를 표로 먼저 정리해야 한다.
구글 스프레드시트나 엑셀을 이용해 오른쪽 그림처럼 관측 값을 입력한다.
입력한 관측 데이터를 분석할 수 있도록 csv 파일로 저장한 후, 구글 My Drive에 업로드한다.
📌 CSV 파일 저장 방법
구글 스프레드시트: 파일 → 다운로드 → 쉼표로 구분된 값(.csv)
엑셀(Excel): 파일 → 저장 → 파일 형식 → CSV (쉼표로 분리) → 저장
구글 코랩에서 Python 코드를 이용하여 데이터를 전처리하고, 그래프로 데이터를 시각화한다.
오른쪽 링크(Google Colab)에 들어가서 활동을 시작한다.
▲ 달 관측 데이터 분석 코드
▲그림7. 라이브러리 설치 코드 실행 화면
워드클라우드 작업에 필요한 라이브러리를 설치한다.
명령어 입력 후에 실행버튼(빨간색 원)을 눌러 설치한다.
⚠️ 모든 명령어는 입력 후 실행 버튼(▶)을 눌러야 한다.
▲그림8. 구글 코랩(Google Colab)과 내 드라이브(My Drive) 연결 코드 실행 화면
구글 코랩과 나의 드라이브를 연결하여 드라이브로부터 자료를 불러올 수 있도록 해봅시다.
※ 구글 코랩에 내 드라이브 연결할 때 해야하는 일: [Google Drive 연결] → [계정으로 로그인] 계속 클릭 → [액세스 요청] 계속 클릭
▲그림9. 구글 코랩(Google Colab)과 내 드라이브(My Drive) 연결 과정 실행 화면
▲그림10. 관측 데이터 불러오는 코드 실행 화면
내 드라이브에서 데이터를 불러온다
📌 파일 경로 찾는 방법
화면 좌측의 폴더 모양 클릭(①) → drive 하위폴더 찾기(②) → MyDrive에서 내가 저장한 파일을 찾고, 세로 점 3개 부분 클릭(③) → 경로 복사 후 [파일 저장 위치 경로]부분에 붙여넣기(ctrl+V)
▲그림11. [파일 경로 찾는 방법] 실행 화면
▲그림12. 관측 데이터 변환 코드 실행 화면
고도와 방위각이 DMS(도-분-초) 형식으로 기록되어 있으므로, 소수점 각도(degree)로 변환해야 한다.
DMS는 기록하기에는 직관적이지만, 분석·계산·시각화 단계에서는 degree 단위가 훨씬 효율적이다.
▲그림13. 데이터 시각화 코드 실행 화면
시간에 따른 달의 고도 변화를 선 그래프로 나타낸다.
방위각과 고도의 관계를 산점도로 시각화하여 달의 이동 경로를 탐색한다.
▲그림14. 시간에 따른 달의 고도 변화 그래프
▲그림15. 달의 고도와 방위각 관계 그래프
그래프를 해석하여 달의 위치가 시간에 따라 어떻게 변하는지 설명해 보자.
[탐구 정리]을 통해 분석 결과를 해석한다.
[탐구 정리]
Q1. 시간이 지남에 따라 달의 고도는 어떻게 변하였나요?
Q2. 방위각이 변할 때 달의 고도는 어떤 변화를 보이나요?
Q3. 관측 결과를 통해 달은 하늘에서 어느 방향으로 이동하고 있음을 알 수 있나요?
Q4. 달의 이동 경로를 지평좌표계에 표시해 보세요. (오른쪽 그림을 이용하여 달의 이동 경로 나타내기)
▲ 그림16. 관측자 위치(지평선) 기준의 천구 모습
스텔라리움과 같은 프로그램을 활용해 달의 이론적 데이터를 수집하고, 이를 그래프로 나타낸 뒤 실제 관측값과 비교한다.
[탐구 정리]을 통해 분석 결과를 해석한다.
탐구 과정
이론 데이터를 정리하여 CSV 파일로 저장한다.
CSV 파일을 업로드하고, Python으로 동일한 방식의 분석을 진행한다.
(오른쪽 링크에 들어가서 활동을 시작한다.)
이론 데이터 분석 결과와 실제 관측 결과를 비교한다.
▲ 달 이론 데이터 분석 코드
▲그림17. 스텔라리움 앱에서 확인한 달의 방위각/고도 데이터 화면
스텔라리움 앱/프로그램을 활용하여 같은 시각의 달의 방위각/고도 데이터를 수집한다.
수집한 데이터를 표로 정리하고 CSV 파일로 저장한다.
▲표3. 정리한 이론 데이터(.csv) 예시
▲그림16. 이론 데이터 분석 결과 그래프_(왼쪽) 시간에 따른 고도 변화, (오른쪽) 고도와 방위각 관계
📌실제 관측 결과와 이론 데이터를 비교해 달의 위치 변화가 얼마나 일치하는지 확인해 보자.
[탐구 정리]
Q. 안시 관측 결과와 현대 천문 계산값 사이에는 어떤 차이가 나타나며, 그 차이는 왜 발생했을까요?
이번 활동은 천문 기록 유산에 담긴 옛 관측 방법과 기록 방식을 바탕으로, 우리는 협동하여 직접 달을 관측하고 기록하는 경험을 가진다. 이를 통해 단순한 관측을 넘어 과학적 탐구와 협력의 가치를 함께 느낄 수 있다.
< 참고 자료 >
비상교육. (2009). 완자 지구과학Ⅰ (2007 개정 교육과정). 서울: 비상교육.
한국천문연구원. 월별 천문현상. https://astro.kasi.re.kr/life/pageView/7