화성 '산소' 농도, 계절따라 달라져
화성 '산소' 농도, 계절따라 달라져
  • 함예솔
  • 승인 2019.12.26 18:50
  • 조회수 1859
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게일 분화구의 암층. 출처: NASA Content Administrator
게일 분화구의 암층. 출처: NASA Content Administrator

우주탐사 역사상 처음으로 과학자들은 화성의 폭이 154km에 달하는 화성의 게일 분화구(Gale Crater) 지표 바로 위에서 대기를 채우고 있는 가스들의 계절적 변화를 측정했는데요. 측정된 가스 중 지구에서 생명체가 숨을 쉴 때 사용하는 '산소(Oxygen)'가 조금 이상했습니다. 이를 보고 과학자들은 당황할 수밖에 없었는데요. 왜냐하면 지금까지 알려진 화학적 과정으로 설명할 수 없는 방식으로 산소가 거동했기 때문입니다.   

 

큐리오시티의 화학 분석

안뇽? 난 큐리오시티야. 출처:NASA
난 큐리오시티야. 출처: NASA

지난 2012년 화성에 착륙한 NASA의 화성탐사로봇 큐리오시티(Curiosity)는 내부에는 휴대용 화학표본분석 장치인 SAM( Sample Analysis at Mars)이 들어있는데요. 이 장치는 게일 분화구의 공기를 흡입해 그 구성을 분석합니다. SAM이 분석한 바로는 지표에서 화성의 대기는 이산화탄소(CO2) 95%, 질소분자(N2) 2.6%, 아르곤(Ar) 1.9%, 산소분자(O2) 0.16%, 일산화탄소(CO) 0.06%로 확인됐습니다.

 

과학자들은 화성의 대기에서 분자들이 어떻게 섞이는지, 일년 내내 기압의 변화와 함께 어떻게 순환하는지 밝혀냈습니다. 이러한 변화는 겨울철 극지방에서 이산화탄소 기체가 얼면서 행성 전체의 기압이 낮아지고 이에 기압의 평형을 유지하기 위해 공기를 재분배할 때 발생합니다. 봄과 여름에 이산화탄소가 증발하면 이는 대기에 섞이게 되고 기압을 상승시킵니다. 

SAM 장치. 출처: NASA-GSFC
SAM 장치. 출처: NASA-GSFC

이러한 환경에서 과학자들은 게일 분화구에서 1년 내내 이산화탄소의 양과 비교했을 때 질소와 아르곤은 예측가능한 계절적 패턴을 따른다는 걸 발견합니다. 이에 과학자들은 당연히 산소도 비슷할 것이라고 예측했습니다. 그런데 산소는 달랐습니다. 

 

산소는 왜 이렇게 변해?

 

봄과 여름에 산소는 무려 30%나 증가했고 가을에 예측된 수준으로 다시 떨어졌습니다. 대기에 추가된 산소의 양은 다양했지만 이러한 패턴은 매년 봄 반복됐습니다. 이는 무언가가 산소를 생산해낸 다음 다시 이를 빼앗아가고 있다는 걸 암시했습니다. <Geophysical Research: Planets>에 게재한 화성 게일 분화구에서 측정한 대기 조성의 계절 변화에 관한 논문의 공동저자이자 미시간대학교(University of Michigan)의 기후 및 우주과학과 교수인 Sushil Atreya는 "우리가 처음봤을 때 이건 정말 놀라운 일이었다"고 말했습니다. 

계절에 따른 산소 양의 변화. 출처: Melissa Trainer/Dan Gallagher/NASA Goddard
계절에 따른 산소 양의 변화. 출처: Melissa Trainer/Dan Gallagher/NASA Goddard

산소에 관한 의문점이 발견되자 마자 화성 전문가들은 이를 설명하기 위해 고군분투하기 시작했습니다. 과학자들은 먼저 가스를 측정하는데 사용됐던 SAM장치의 질량분석기(the Quadrupole Mass Spectrometer)가 정확한지 이중삼중으로 점검했습니다. 다행히 장치엔 아무런 이상이 없었습니다. 이에 과학자들은 이산화탄소(CO2)나 물(H2O)분자가 대기에서 분해될 때 산소를 방출할 가능성에 관해 고려해봤는데요. 이럴 경우 측정값처럼 단기간 산소의 양이 상승될 수 있었습니다. 그러나 여분의 산소를 생산하려면 화성에는 지금보다 5배 더 많은 물이 필요했습니다. 이산화탄소의 경우 너무 느리게 분해되기 때문에 짧은 기간 안에 생성되지 않을 겁니다.

 

그렇다면 산소의 양이 감소하는 건 어떻게 설명할 수 있을까요? 태양복사선은 우주로 빠져나가는 산소 분자를 두개의 산소원자를 분해할 수 있을까요? 과학자들은 이 과정을 통해 산소가 사라지려면 적어도 10년은 걸릴 것이란 결론을 내렸습니다. NASA의 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)의  Melissa Trainer는 "우리는 이를 설명하기 위해 애쓰고 있다"며 "매 계절마다 산소의 거동이 완벽히 반복되지 않는다는 사실은 그것이 대기역학과는 관계없는 문제가 아닐까 생각하게 만든다"고 전했습니다. 덧붙여 "아직 설명할 수 없는 어떤 화학원(chemical source)이 존재할 것"이라고 말했습니다. 

 

산소, 메탄이랑 거동이 비슷하다

 

화성을 연구하는 과학자들에게 산소의 이러한 특이한 거동은 신기하게도 메탄(Methane)과 비슷하다고 합니다. 메탄은 끊임없이 게일 분화구 안의 공기 중에 평균 0.00000004%으로 아주 적은 양으로 존재한다고 하는데요. 이 때문에 화성에 있는 가장 민감한 장치로 측정하더라도 식별하기 어렵다고 합니다. 이는 SAM의 가스분석기(Tunable Laser Spectrometer)를 이용해 측정됐고 덕분에 메탄이 계절마다 양이 오르내린다는 사실을 알아냈는데요. 특히 여름철에는 약 60%까지 그 양이 증가했습니다. 사실 메탄도 무작위적이고 극적으로 그 양이 급증할 때가 있는데요. 과학자들은 여전히 그 이유를 알아내기 위해 노력 중이라고 합니다. 

계절에 따른 산소와 메탄의 변화. 출처: Melissa Trainer/Dan Gallagher/NASA Goddard
계절에 따른 산소와 메탄의 변화. 출처: Melissa Trainer/Dan Gallagher/NASA Goddard

산소의 거동을 밝혀 내기 위해 Melissa Trainer연구팀은 메탄이 자연적인 계절변화를 일으키는 것과 유사한 화학물질이 산소에도 영향을 미치는지 궁금해하고 있었습니다. 적어도 때때로 이 두 기체는 나란히 요동치는 것처럼 보였기 때문입니다. 하지만 과학자들은 이에 대해 명확히 설명하지 못하고 있습니다. 

 

산소와 메탄은 미생물에 의해 생성될 수 있는데요. 극단적으로는 물과 암석과 관련한 화학작용에 의해 비생물학적 과정에 의해 만들어지기도 합니다. 과학자들은 화성에서 어떤 생물학적 활동에 관한 설득력 있는 증거를 갖고 있지 않지만 모든 가능성을 열어두고 있습니다. 큐리오시티는 메탄이나 산소의 근원이 생물학적인지, 지질학적인지 확실하게 밝혀낼 수 있는 도구가 없습니다. 그럼에도 과학자들은 비생물학적 설명이 더 가능성이 높다고 보고 이를 완전히 이해하기 위한 노력을 하고 있다고 합니다. 

 

큐리오시티 선임, 바이킹호의 실험

 

연구팀은 화성의 봄에 늘어나는 산소의 원천으로 화성의 토양을 의심했는데요. 화성 토양은 과산화수소(hydrogen peroxide)나 과염소산염과(perchlorates) 같은 화합물 형태의 원소가 풍부하다고 알려졌습니다. 또 다른 화성탐사선인 바이킹호(Viking spacecraft)가 수십년 전 수행했던 실험에서 열과 습도가 화성 토양에서 산소를 방출시킬 수 있다는 사실을 보여줬기 때문입니다. 그러나 그 실험은 화성의 봄일 때의 환경과 상당히 다른 조건에서 이뤄졌고 산소의 감소에 대해선 설명하지 못하기 때문에 모든 걸 설명하긴 어렵습니다. 

바이킹(Viking) 2호. 출처:  NASA/JPL
바이킹(Viking) 2호. 출처: NASA/JPL

또 다른 가능한 설명들도 현재로서는 그다지 앞뒤가 맞지 않는다고 합니다. 예를 들어 토양에 고에너지방사선을 쐬어주면 대기에 추가적인 산소가 만들어지는 게 가능합니다. 하지만 단 한 철의 봄에 측정된 산소의 급증을 설명하기 위해 충분한 산소를 토양에 축적하는데 백만 년이 걸릴 것이라고 합니다. 메릴랜드대학교(University of Maryland) 소속 과학자 Timothy McConnochie은 "우리는 아직 필요한 양의 산소를 만들어내는 한가지 과정을 생각해내지 못했지만, 우리가 관찰한 산소의 변화를 만들어낼 수 있는 충분한 양의 산소 원자가 대기에 없기 때문에 계절에 따라 변하는 무언가가 존재해야 할 것"고 밝혔습니다. 

큐리오시티호가 본 화성의 하늘. 출처: NASA/JPL-Caltech
큐리오시티호가 본 화성의 하늘. 출처: NASA/JPL-Caltech

화성의 지표 부근의 대기 구성을 측정할 수 있는 장비를 가지고 있던 건 바이킹호 뿐이었습니다. 바이킹호의 실험은 화성에서 불과 며칠 간 수행됐기 때문에 계절에 따른 패턴을 밝힐 수는 없었습니다. SAM 연구팀은 계절에 따른 더 상세한 데이터를 수집할 수 있도록 대기 중 가스의 양을 지속적으로 측정할 겁니다. 대체 봄과 여름철 산소는 어디서 나오고 있는 걸까요?

 


##참고자료##


Melissa G. Trainer et al., “Seasonal variations in atmospheric composition as measured in Gale Crater, Mars”, Geophysical Research: Planets(2019)
 


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