검파의 천문학 이야기

▶화성의 대기 구성은 어떻게 이뤄져 있을까요?

화성의 대기는 96%가 이산화탄소, 1.9%가 아르곤, 1.9%가 질소 등으로 이뤄져 있습니다. 그렇다면 이들의 세부내용에 대해서 말씀드리겠습니다. 

1. 이산화탄소

화성 대기의 대부분을 차지하는 물질은 약 95%를 차지하고 있는 이산화탄소로 겨울이 되면 화성의 극지방에 전체 이산화탄소의 약 25%가 얼어붙어 드라이아이스로 이루어진 극관이 형성되고 여름이 되면 햇빛에 의해 드라이아이스가 다시 승화하여 대기의 일부로 되돌아간다고 합니다. 

이 현상은 화성이 공전하며 계절이 순환하는 동안 지속적으로 일어나며 이 때문에 겨울 동안에는 기압이 하락하고, 여름에는 기압이 상승한다고 합니다. 

과거에는 화성의 대기가 현재보다 더 짙고 따뜻하며 습도도 높았을 것으로 추측하고 있는데 과거의 대기에 존재하던 이산화탄소가 온실 효과를 일으켜 화성의 일부분의 기온이 0도보다 상승하여 얼음이 녹아 물이 흐르면서 강이나 호수 등을 형성했을 것으로 추측하고 있습니다. 일부 연구자들의 의견에 의하면 과거에는 화성의 대기가 현재 지구의 대기만큼 두꺼웠던 적이 있었다고 주장하고 있지만, 2015년 가을 들어서는 대부분의 연구자들이 과거에도 화성의 대기가 그렇게까지 두꺼운 정도는 아니였을 것으로 주장한다고 합니다. 

현재는 화성의 대기가 지구와 비교할 수 없을 정도로 얇지만 비교적 최근까지는 화성의 대디가 지구와 비슷할 것이라고 추측되었습니다. 또한 초기 화성에서는 많은 양의 이산화탄소들이 탄산염 종류의 광물 형태로 굳어졌을 것이라고 추측했으나 화성의 궤도를 선회 중인 많은 위성들의 과학 기구를 사용하여 관측한 결과에 따르면, 화성에는 극소량의 탄산염이 매장된 상태라고 밝혀졌습니다. 그로 인해 오늘날에는, 과거에 이산화탄소들이 태양풍에 의해 쓸려나가 화성을 벗어나버렸을 것으로 추측하고 있습니다. 연구자들은 화성의 이산화탄소가 화성을 탈출하게 되는 과정을 주장했는데 그 과정은 아래의 내용을 참고해 주십시오.

1. 태양으로부터 불어오는 자외선에 의해 이산화탄소 분자가 일산화탄소와 산소로 쪼개짐.

2. 이후 자외선 광자에 의해 일산화탄소가 탄소와 산소로 쪼개짐.

3. 화성에 도달하는 에너지만으로도 충분히 화성을 탈출할 수 있을 정도로 가벼워짐.

4. 위 과정을 반복함으로써 지속적으로 이산화탄소가 대기에서 탈출함

상단의 과정을 통해 비교적 가벼운 탄소 동위원소들이 지속적으로 대기를 탈출하였고 비교적 무거운 탄소 동위원소들만이 현재의 화성 대기에 남아있는 것으로 추측하고 있습니다. 이는 현재 활동 중인 탐사차인 큐리오시티가 화성의 표면으로 무거운 탄소 동위원소를 발견함으로써 더욱 설득력을 얻게 되었습니다.

2. 아르곤

화성의 대기에는 태양계 내에서 대기가 존재하는 천체들에 비해 상당히 많은 양의 비활성 기체인 아르곤이 존재합니다. 화성의 대기에서 이산화탄소는 계절에 따라 고체로 응축되기도 하면서 시시각각 그 수치가 변하지만 아르곤은 이산화탄소처럼 응축되지 않기 때문에 그 총량이 항상 일정하다고 합니다. 하지만 이산화탄소의 양이 증가와 감소함에 따라 위치에 따른 상대 농도는 차이가 나며, 현재 활동 중인 탐사선이 조사한 정보에 따르면 대기 내의 아르곤의 농도는 가을이 되면 증가하기 시작하다가 봄이 되면 다시 하락한다고 합니다.

3. 물

화성의 대기를 다른 측면에서 본다면 굉장히 특이한데, 여름이 되면 극지방에 얼어있던 드라이아이스들이 승화하여 다시 대기 중으로 유입되는 과정에서 표면에 물의 흔적을 남기며, 최대 시속 400km까지 도달하는 계절풍이 화성의 대기를 여러 번 휩쓸게 됩니다. 이 과정에서 엄청난 양의 먼지와 수증기들이 대기 중으로 유입되면서 지구에서 생기는 형태와 유사한 성에나, 큰 권운형 구름을 형성합니다. 이 권운형 구름은 2004년에 오퍼튜니티에 의해 촬영되었던 적이 있었고 2008년에 피닉스 탐사선이 화성의 극지방에서 토양을 분석할 때 물로 이루어진 얼음이 검출된 적이 있었다고 합니다.

4. 메탄

화성의 대기의 메탄 함유량은 ppb 단위로 매우 적습니다. 처음으로 화성 대기에서 메탄이 존재한다고 밝힌 것은 2003년에 고더드 우주 비행 센터 팀이었고, 2004년에는 마스 익스프레스 탐사선이 지상 관측 중에 10 ppb 정도의 메탄을 찾아냈다고 밝혔습니다. 메탄 함유량은 2003년의 관측과 2006년의 관측에서 큰 차이를 보였는데, 이를 통해 대기에서의 메탄 함유량은 특정 장소에 밀집되어 있거나 계절에 영향을 받는 것으로 추측하고 있습니다.

화성에서의 메탄은 태양에서 오는 자외선과 다른 기체들과의 화학반응으로 쉽게 사라지는데, 이 메탄이 극히 소량이라 하더라도 지속적으로 관측되는 것으로 보아 화성에 지속적으로 메탄가스를 공급하는 근원지가 있을 것으로 추측하고 있지만, 현재의 광화학 기술력으로는 메탄의 정체를 정확하게 규명해낼 수 없으며 이 메탄들이 화성의 대기에 진입하는 운성이나 소천체가 연소하는 과정에서 발생해 대기 중으로 유입된 것으로 추측하고 있었으나 임페리얼 칼리지 런던의 연구팀에서 그런 과정을 통해 메탄이 생성된 것이라면 현재 측정되는 메탄의 양보다 훨씬 적을 것이라는 의견을 내놓았습니다.

연구를 통해 나온 결과에 따르면 화성의 대기에 존재하는 메탄의 수명이 짧게는 7개월에서 길게는 4년인데 이는 화성 대기의 순환으로 인해 메탄이 특정 구역에서만 관찰되는 불균형 현상이 나타나기에 충분히 짧은 시간입니다. 하지만 7개월에서 4년은 350년이나 걸리는 자외선 복사를 통해 진행되는 광화학적 붕괴보다 훨씬 짧기에 자외선이 아닌 다른 요인으로 인해 메탄이 빠르게 붕괴된다고 추측하고 있으며, 이 요인으로 인한 붕괴는 자외선 복사로 인한 붕괴보다 100배에서 ~ 600배 정도 효율적이라고 합니다. 또한 너무나도 빠른 붕괴 속도에도 불구하고 메탄이 지속적으로 존재한다는 것은 매우 활발하게 메탄을 공급하는 요인이 존재한다는 것을 뜻합니다. 혹은 메탄이 소멸되는 것이 아니라 계절에 따라 클래스 레이트 화합물 형태로 응고. 증발하거나 화성 표면에 있는 석영, 감람석 성분과 반응하여 화합물로 결합한다는 가능성도 제가 되고 있습니다. 

현재 가장 유력한 설은 화성의 메탄이 물과 암석의 반응, 물의 방사선 분해 황철석 생성 등과 같이 비 생물학적인 과정으로 형성되었다는 것입니다.

2011년에는 NASA에서 화성에 존재하는 극미량의 성분들을 조사한 결과를 발표했는데. 메탄, 에탄, 메탄올 등과 매우 적은 양의 다른 성분들이 검출되었습니다. 이 정보는 약 6년에 걸친 화성의 제 각각 다른 지역과 계절의 변화에 따른 변동 또한 적용시킨 결과로, 이 결과에 따르면 유기체나 생물학적 작용으로 생성된 것이기엔 양이 너무나도 극미량이기 때문에 메탄의 원인이 생물학적 요인도 아닌 것으로 추측하고 있습니다.

2012년 8월에는 화성에 착륙한 큐리오 시티가 탐사 장비를 이용해 메탄에 관한 측정을 진행했는데 그 결과 착륙 지점인 게일 분화구에는 5 ppb 미만 혹은 거의 없는 정도로 극미량이 검출되었고 2013년까지도 메탄 측정량은 큰 변화가 없다가 2013년 말과 2014년 초에 측정한 결과에는 이전에 비해 10배가 넘는 수치의 메탄이 검출되었습니다. 측정한 결과에 따르면 2개월 동안 주변 지역은 약 7.2 ppb 정도의 높은 메탄 함유량을 보였으며, 여전히 확인되지 않은 무언가에서 메탄이 지속적으로 공급되거나 배출되고 있다는 것을 확인하였다고 합니다.

2014년 9월에 화성 궤도에 성공적으로 진입한 인도의 화성 탐사선인 망갈리얀 탐사선도 탐사 기구를 통해 대기 내에 메탄 함유량을 측정했는데, 이 결과 또한 메탄의 양은 ppb 단위에 그쳤습니다. 또한 2016년에 발사 예정인 엑소마스 기체 추적 궤도선도 화성에서 메탄에 관한 탐사뿐만 아니라 메탄이 분해되어 생성되는 메탄올과 폼알데하이드에 관한 자세한 연구를 진행할 예정이라고 합니다.

오늘의 포스팅은 여기까지입니다. 화성의 대기 구성에 대해서 많은 도움되셨는지요?

오늘도 장문의 글 정독해주셔서 정말 감사합니다.

다음 포스팅에서 뵙도록 하겠습니다.

▶화성의 대기는 존재하는가?

여러분들이 생각하시기에 화성에는 대기가 존재할까요? 만약 존재한다면 그 구조는 어떨까요?

오늘은 화성에 대해서 함께 공부해보시죠!

화성의 대기는 태양계의 4번째 행성인 화성을 둘러싸고 있는 기체층을 의미하며 대부분이 이산화탄소로 구성되어 있다고 합니다. 평균 기압은 약 600 파스칼로 지구의 해수면 평균 기압인 101.3 킬로파스칼의 0.6% 정도이며, 규모 고도는 약 11 km 정도라고 합니다.

이때, 화성의 대기 질량은 25테라콘으로 규모 고도가 약 8.5km인 지구의 대기 질량인 5148 테라톤의 0.005% 밖에 되지 않는다고 합니다. 화성의 기압은 고도에 따라 큰 차이를 보이는데, 화성에서 가장 높은 지역인 올림푸스 산의 최고봉에서는 약 30 파스칼 정도고 가장 낮은 지역인 헬라스 분지에서는 1,155 파스칼 정도로 어디서든지 화성의 기압은 암스트롱 한계보다 훨씬 낮아서 인간이 화성의 대기에 맨몸으로 노출된다면 위험해질 수 있다고 합니다.

화성의 대기는 96%가 이산화 탄소, 1.9%가 아르곤, 1.9%가 질소 등으로 이루어져 있으며. 소량의 산소와 일산화탄소, 수증기 등도 포함되어 있습니다. 몰 질량은 약 43.34 g/mol 정도이며 2003년에 화성에서 메탄의 흔적이 발견된 이래로 화성의 대기에 관한 관심이 급증했는데, 그 이유는 메탄이 생명체의 존재를 암시하기 때문이지만 한편으로는 메탄이 그저 화성의 화산이나 열수정 활동 등의 지질학적 활동을 통해 생산된 것이라는 추측도 있습니다.

화성의 대기는 먼지가 매우 많아서 표면에서 화성의 하늘을 본다면 밝은 갈색이나 옅은 주황색 계열의 붉은 색으로 보인다고 합니다. 화성 탐사차인 오퍼튜니티와 스피릿이 수집한 정보에 의하면 대기 상공에 표류하는 먼지 입자의 크기가 1.5 마이크로미터인데, 새롭게 떠오르고 있는 환경 문제인 미세먼지를 분류하는 기준에 따르면 화성 먼지의 크기는 2.5 마이크로미터 이하로 극미세먼지 혹은 초미세먼지에 해당된다고 합니다.

화성의 대기 구조

(1) 외권 : 약 200 km 고도부터 시작되며, 우주 공간의 진공보다 약간 짙은 정도의 대기가 존재하는 구역으로 어느 부분이 대기권의 끝인지는 명확하게 규명된 바가 없습니다. 그저 고도가 상승할 수록 대기가 갈수록 미약해지다가 진공에 가까워지는 것으로 추측하고 있습니다.

(2) 대기 상층부 혹은 열권 : 태양광에 직접 가열되어 매우 온도가 높은 대기층으로 이 부분부터 명확하게 대기층의 단계를 구분할 수 있으며, 중층과 하층부의 대기에 비해 고요하고 일정하게 분포해 있습니다.

(3) 대기 중층부 : 화성에 존재하는 제트 기류가 부는 층입니다.

(4) 대기 하층부 : 대기층 중에서 비교적 따뜻한 구역으로 떠다니는 먼지와 지열의 영향을 받습니다.

오늘의 포스팅은 여기까지입니다.

화성에 대기가 존재하며 그 구조에 대해서 말씀드렸습니다. 도움은 많이 되셨는지요?

오늘도 장문의 글 정독해주셔서 정말 감사합니다. 

그럼 다음 포스팅에서 뵙겠습니다.

▶태양계는 어떻게 생성되었을까? (태양계 기원설 중 "초기 이론")

태양계는 어떻게 생성되었을까요? 누구나 한 번쯤은 궁금했을 거라 생각합니다. 저도 궁금한 내용인데요.

태양계의 기원설은 초창기에 형성된 초기 이론과 1900년대에 생성된 현대 이론 2가지로 나눌 수 있다고 합니다. 초기 이론과 현대 이론 중 오늘의 포스팅 내용은 바로 초기 이론에 대해서 포스팅하겠습니다. 

1. 초기 이론

[성운설]

데카르트와 칸트, 라플라스의 이론과 관찰에 바탕을 둔 과학적 첫 이론이 제시되었습니다. 이 이론에 따르면, 느리게 회전하는 가스와 먼저의 구름덩어리가 냉각되고 중력으로 말미암아 수축하였고 수축함에 따라 이는 더 빠르게 회전하게 되었고, 회전축을 따라 평평해졌다고 합니다. 이는 결국 질량 중심 주변을 자유 궤도로 도는 적도 물질로 구성된 렌즈형의 모양이 됩니다. 그 후 물질들은 여러 고리에 응집됩니다. 응집된 덩어리들은 각각 조금씩 다른 비율로 궤도를 돌면서 각각의 고리에서 초기 행성을 형성하게 됩니다. 초기 행성의 수축에 기초를 둔 축소판 과정을 통해 위성이 형성되며, 최초의 먼지와 가스 덩어리의 중심 덩어리가 수축하여 태양이 형성된다고 합니다.

행성과 태양이 하나의 과정에서 함께 형성되는 이 일월론적인 이론은 치명적인 결점이 있습니다. 이 이론은 태양계의 대부분의 각운동량이 태양 안에 있다고 제안하고 있습니다. 그러나 실제로 그렇지 않습니다. 태양계 질량의 99.86%의 질량을 가진 태양은 태양계 형성 시의 각운동량은 오직 0.5%만을 가집니다. 그 외 나머지는 각운동량은 행성의 궤도에 포함됩니다. 이로 인해 19세기의 모든 이론은 성공적이지 못했다고 합니다. 비록 과학적 원리에 바탕을 한 이론일지라도 관찰된 내용과 일치하고 않았고, 결국 폐기되었다고 합니다.

[조우설]

성운설 이후 제임스 진스가 태양과 행성이 다른 과정을 통해 형성되었다는 이원론을 제시하였습니다. 이에 따르면, 태양을 지나쳐간 한 무거운 항성이 태양으로부터 주기적으로 변동하는 가는 실을 뽑아내게 된다고 합니다. 중력적으로 불안정한 필라멘트는 부서져 각각의 압축물이 초기 행성을 형성합니다. 이 초기 행성은 태양 주변을 지나쳐 멀어져 가는 항성에 의해 끌어당겨져 태양을 중심으로 한 궤도에 남게 됩니다. 최초의 근일점을 지날 때에 위의 축소판 과정이 일어나 초기 위성을 형성하게 됩니다. 

이 이론은 처음에 좋은 평가를 받았으나. 곧 문제가 발견되었습니다. 헤럴드 제프리는 순환의 개념에 대한 수학적인 논의에 근거해서 태양과 비슷한 실질 밀도를 가진 목성의 경우 비슷한 회전 주기를 가져야 한다고 주장했습니다. 또한 헨리 노리스 러셀은 태양으로부터 빠져나온 물질이 태양 반지름의 4배 거리 이상 가지 못했다는 것을 증명해 냈습니다. 이것은 각운동량에 관한 또 다른 문제였습니다. 그 뒤 라이먼 스피처는 태양에서 나온 물질이 질량을 가지게 된다면, 이는 106K 온도를 가지게 되며, 이 경우 행성으로 수축하기보다는 폭발한다는 것을 계산해 냈다고 합니다. 이후 태양의 핵반응으로 즉각 소모되었을 리튬과 베릴륨, 붕소가 지구의 지각에서 발견된다는 것과 관련한 반대 주장이 등장하였습니다. 항성과 항성 사이 공간은 매우 넓기 때문에 원시 태양과 다른 별이 만날 확률이 극히 희박하다는 것도 문제점 중 하나라고 합니다.

라플라스와 진스의 이론은 과학에 바탕을 두고 있지만, 결국 과학적 비판에 굴복되었습니다. 비록 다른 종류이기는 하지만 두 이론 모두 각 운동량 문제를 가지고 있었습니다. 그럼에도 불구하고 두 이론이 제시한 새로운 생각은 현대 이론의 기반이 되었다고 합니다.

오늘의 포스팅은 여기까지입니다. 태양계의 기원설 중 초기 이론에 대해서 많은 도움이 되셨나요?

초기 이론은 말 그대로 초창기 이론이기에 문제점과 반론이 많은 것으로 보입니다. 하지만 이러한 초기 이론 덕분에 현대 이론이 생성되었습니다. 다음 포스팅에선 현대 이론에 대해서 설명드리도록 하겠습니다.

오늘도 장문의 글 정독해주셔서 감사합니다. 

다음 포스팅에서 뵙겠습니다.

▶태양계에 관한 모든 것 (네 번째 이야기)

7. 외행성계

태양계의 바깥쪽 지대는 거대한 가스 행성과 행성급 덩치를 지닌 위성이 존재하는 곳입니다. 센타우루스 족을 포함한 많은 단주기 혜성도 이 지역에 공전궤도를 형성하고 있다고 합니다. 이들은 태양에서 매우 멀리 떨어져 있기 때문에, 물을 비롯한 암모니아, 메탄 등의 휘발성 물질이 천체에서 차지하는 비중이 지구형 행성에 비해 크다고 합니다. 그 이유는 낮은 온도에서 이들 휘발성 물질은 고체 상태로 존재할 수 있기 때문입니다.

※ 목성형 행성

태양계의 바깥쪽을 도는 네 개의 거대한 행성은 보통 목성형 행성. 가스 행성, 외행성이라는 이름으로 불립니다. 이들의 질량은 태양을 도는 8개 행성의 99퍼센트를 차지하며, 암석 행성에 비해 무거워 지구 질량의 14 ~ 318배 정도입니다. 그러나 밀도는 상대적으로 낮아 암석 행성의 20퍼센트 수준이라고 합니다. 목성과 토성은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져 있습니다. 이들 4개의 행성은 모두 고리를 갖고 있으나, 토성을 제외한 나머지 지구에선 고리를 관측하기가 쉽지 않다고 합니다.

7-1. 목성

목성은 태양계의 8 행성 중 가장 거대하고 무거운 천체로, 그 질량은 지구의 318배로 목성을 뺀 다른 행성을 다 합친 것보다 2.5배나 더 무겁다고 합니다. 목성은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져 있습니다. 목성은 내부열이 강력하게 발생하고 있어 표면에 자전 방향과 평행한 줄무늬 모양의 띠와 대적반과 같은, 반영구적인 대기 구조를 만듭니다. 목성은 많은 위성을 거느리고 있으며, 알려진 숫자만 79개입니다. 그중 가장 질량이 큰 가니메데, 칼리스토, 이오, 유로파 네 개는 내부열이나 화산 활동이 일어나는 등 암석 행성과 비슷한 면모를 보여줍니다. 이 중 가니메데는 태양계 위성 중 부피와 질량이 가장 크며, 심지어 수성보다도 부피와 크기가 큽니다.

7-2. 토성

토성은 질량, 조성 물질, 내부 구조, 자기권 등 모든 면에서 목성보다 조금씩 작은 가스 행성입니다. 토성의 가장 큰 특징은 거대한 고리를 들 수 있습니다. 토성의 부피는 목성의 60퍼센트이지만 질량은 3분의 1이 채 되지 않는다고 합니다. 따라서 토성의 밀도는 태양계 행성 중 가장 작다는 결론을 얻을 수 있습니다. 토성 역시 목성 다음으로 많은 위성을 거르니고 있습니다. 그중 타이탄과 엔켈라두스, 둘은 지질학적 활동을 하고 있는 것으로 보입니다. 다만 지구와는 달리 이들 천체의 화산에서는 얼음 물질이 뿜어져 나온다고 합니다. 타이탄은 부피만 따질 경우 수성보다 크며. 태양계 위성 중 유일하게 짙은 대기에 둘러싸여 있습니다.

7-3 천왕성

천왕성은 외행성 중 가장 가벼운 가스 행성입니다. 천왕성의 자천축은 황도면에 대해 97.9도 기울어져 있어 태양을 마치 누운 상태로 도는 것처럼 보입니다. 천왕성의 중심핵은 다른 가스 행성에 비해 훨씬 차가우며, 방출하는 열의 양도 매우 작습니다. 천왕성은 여러 위성을 거느리고 있습니다. 이 중 티타니아, 오베른, 움브리엘, 아리엘, 미란다가 큰 위성입니다. 이 다섯 개의 큰 위성은 모두 단층, 능선, 절벽 산맥, 화구, 범람의 흔적 등 혼란한 지형으로 가득 차 있습니다. 특히 미란다의 표면은 실제라도 믿기 힘들 정도로 불연속적입니다.

7-4 해왕성

해왕성은 천왕성보다 지름은 약간 작지만, 좀 더 무거운 가스 행성입니다. 따라서 해왕성의 밀도는 천왕성 보다 조금 더 크다고 합니다. 해왕성은 천왕성보다 많은 내부열을 발산하나, 그 열의 양은 목성이나 토성이 비하면 작습니다. 해왕성 역시 13개의 위성이 주위를 돌고 있습니다. 그중 가장 거대한 트리톤은 액체 질소의 간헐천이 표면 곳곳에 있는 등 지질학적으로 살아 있습니다. 트리톤은 태양계 위성 중 유일하게 역방향으로 어머니 행성을 공전하는 거대 위성입니다. 다수의 소행성이 해왕성과 같은 궤도를 돌고 있는데, 이들을 해왕성 트로이족이라고 부른다고 합니다. 이들은 해왕성과 1:1로 궤도 공명을 한다고 합니다.

오늘의 포스팅은 여기까지입니다. 태양계 중 외행성에 대해서 말씀드렸는데 도움은 되셨는지 궁금하네요.

장문의 글 정독해주셔서 진심으로 감사드립니다.

그럼 다음 포스팅에서 뵙도록 하겠습니다.