지오이드란?

지구를 나타내는 모델로서 지구 타원체가 있지만, 실제로 지구 표면에는 산과 골짜기가 발달하여 상당한 요철이 있다. 이런 모습을 나타내는 모델을 지오이드라고 부른다. 지구의 모습은 구체를 시작으로 타원체, 삼축 타원체 등 여러 모델이 제시되었다. 그러나 어느 모델도 지구 표면의 요철은 고려하지 않으며, 오직 지구 반경의 차이와 편평도가 논의의 대상이었다. 지구의 요철을 고려한다면 지구 중력을 생각하는 것이 된다. '질량을 가진 두 물질 사이에는 서로 끌어당기는 인력이 작용한다'는 사실은 뉴턴에 의해 발견되었다. 유명한 만유인력의 법칙이다. 지구에도 이런 인력이 있다. 지구는 우주 공간에서 팽이와 같이 고속으로 회전하고 있다. 회전하는 물질에는 원심력이 작용한다. 원심력은 회전 반경에 비례한다. 따라서 원심력은 북극점과 남극점에서는 제로이며 적도에서 최대가 된다. 지구의 인력과 원심력의 합력이 인력이다. 인력은 지구 내부로 작용하는 힘이며, 원심력은 바깥쪽으로 작용하는 힘이다. 따라서 중력은 북극과 남극에서 최대이며 적도에서 최소가 된다.

지구 표면의 70%는 해양이다. 해수는 중력에 의해 자유롭게 모양을 바꿀 수 있는 물질이므로 해수면은 중력이 일정한 등포텐셜면이 된다. 육지 밑으로 수로나 운하를 파서 해수가 유입되었다고 치고 해수면을 가상해 보자. 육지 밑으로도 해수면을 가상하여 지구 표면이 전부 해수면으로 덮여 있다고 생각하면 그 해수면은 중력의 등포텐셜면으로서 요철을 고려한 지구 모델이 된다. 이런 모델을 지오이드라고 부른다. 중력 연구의 하나가 보다 정확한 지구의 모양을 구하여 지오이드를 연구하는 것이었다. 중력의 측정법은 거의 완성되어 있고 지구상 도처에서 측정도 완료되었기 때문에 중력 연구는 완성된 학문이며, 지구의 지오이드도 거의 완성되었다고 생각하였다. 그런데 1950년대 후반부터 잇달아 인공위성을 쏘아올리면서 사정이 크게 변하고 말았다. 지구를 도는 인공 위성의 궤도는 당연히 지구 인력에 좌우된다. 인력이 큰 곳에서는 인공 위성이 지구에 접근하고 작은 곳에서는 멀어지는 궤도를 만든다. 이런 인공 위성 궤도를 추적함으로써 지구의 중력 연구는 새로운 전기를 맞이하게 되었다.

 또한 중력계도 발전하였다. 1950년대까지의 중력 측정은 6~7 자릿수의 정확도였으나 현재는 중력의 절대치를 9~10 자릿수의 정확도로 측정 할 수 있다. 중력 연구는 완성된 학문 분야가 아니라 연구해야 할 과제가 잇따르고 있음이 재확인된 것이다. 지오이드는 지구 타원체 표면의 요철을 지오이드고라는 수치로 표시한다. 인공 위성의 궤도를 추적하여 구한 중력을 사용한 지오이드 연구에 따르면 지구는 북극이 볼록하고 남극이 오목한 서양배 같은 모습이다. 지오이드가 북극에서는 지구 타원체보다 15m 볼록하고, 남극에서는 반대로 20m 오목하다는 것이다. 이 모양이 주장되었을 무렵 지구의 모습을 두고 서양배 형이라고 했는데, 서양배 형이라고 하면 지구가 정말로 둥글지 않다는 것처럼 들린다. 그러나 지구 타원체에서의 요철은 겨우 십 수 미터인 반면 지구 타원체의 극과 적도 간 반경의 차이는 20km이다. 지구 반경의 1%에도 미치지 못하는 차이이므로 지구 사진을 보거나 월식으로 달 표면에 비친 지구의 그림자를 보더라도 인간의 눈에는 둥글게밖에 보이지 않으며, 타원체는 물론 서양배 형을 식별할 수는 없다. 이후 육상 및 해상에서의 중력 측정 데이터가 축적되면서 보다 정밀한 지오이드고를 구할 수 있게 되었다.