화성의 바람지도
화성의 바람지도
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.23 15:05
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요약

 

화성의 열권은 화성 대기와 우주의 경계면입니다. 대기권의 구조와 역학관계는 태양 입사에너지를 행성 전체로 순환하고 재분배를 이끕니다. 하지만 그동안 과학자들은 고대 화성에 존재하던 대기가 사라지는 대기손실 과정에 대한 이해가 부족했습니다. 이에 연구진은 MAVEN호가 화성의 초고층 대기에서부터 하강하며 수집한 측정값을 분석했습니다. 여러 관측 모드를 병행해 풍속을 도출하고 140~240km의 고도 범위에서 화성 대기의 전체적인 순환을 지도화 할 수 있었습니다.

  • 본문 

 

지구를 제외하면 처음으로 다른 행성의 초고층 대기의 바람순환 지도가 만들어졌습니다. 바로 화성이 그 주인공인데요. 연구원들은 NASA의 MAVEN(the Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN mission)호가 2년 간 수집한 데이터를 이용했습니다. 새롭게 만들어진 화성의 바람 지도는 과학자들이 화성의 기후를 이해하고 과거와 현재 진행 중인 화성의 진화에 대해 더 정확한 단서를 제공합니다.

MAVEN. 출처:  NASA's Goddard Space Flight Center
MAVEN. 출처: NASA's Goddard Space Flight Center

MAVEN은 NASA의 화성 정찰 프로그램의 일환으로 2013년 11월에 발사됐습니다. 지난해 9월 21일이 화성 궤도에 진입한지 5주년이었습니다. MAVEN 미션의 주된 목적은 먼 옛날 해양으로 뒤덮인, 잠재적으로 거주가 가능했던 화성이 어떻게 오늘날의 건조하고 황량한 장소가 됐는지 밝히는 일입니다. 이를 위해 화성 대기에 어떤 것들이 남아있는지 탐사합니다. 

먼 옛날 화성의 모습(왼), 현재 화성의 모습(오른쪽) 출처: NASA's Goddard Space Flight Center
먼 옛날 화성의 모습(왼), 현재 화성의 모습(오른쪽) 출처: NASA's Goddard Space Flight Center

현재 연구진들이 화성 대기가 우주로 사라지고 있는 속도와 어떻게, 그리고 왜 사라지고 있는지 연구하는 건 무슨 이유가 있을까요. 지구를 포함해 행성의 대기를 이해하는 단서를 얻을 수 있기 때문입니다. 이번 연구의 주요 저자인 NASA의 고다드 우주비행센터의 Mehdi Benna는 "관측된 순환 모델은 행성 전체적인 대기 모델을 통제하는 데 필요한 중요한 입력값을 제공한다"며 "이 모델들은 먼 과거의 화성 기후의 상태를 추정하는 데 사용되는 모델과 같은 모델"이라고 전했습니다. 이 연구는 <Science>에 게재됐습니다.

 

지구의 초고층 대기에서 부는 바람은 이미 상세하게 지도화돼 있습니다. 바람은 무선 전파(radio waves)의 확산에 영향을 미칠 수 있는 대기 중 일련의 과정들을 만들고 있습니다. 참고로 무선 전파(radio waves)는 지표상과 통신을 할 때, 그리고 인공위성이 지구 궤도에 진입할 때 경로를 예측하는 용도로 이용됩니다. 화성의 바람을 지도화하는 일이 외계 행성의 대기 특성을 이해하는 중요한 전기가 되는 이유입니다.

 

행성의 대기는 정적이지 않고 완전히 균일하지도 않습니다. 독특한 프로세스가 발생하는 곳을 분류하기 위해 대기 층은 온도에 따라 구분됩니다. 예를 들어 우리가 살고 있는 대류권은 가장 최하층으로 이곳에서는 날씨의 변화가 일어납니다. 고위도로 가면 기온은 더 낮아집니다. 지구와 화성의 초고층 대기에서 부는 바람은 각각 열권에서 발생합니다. 이곳은 높이에 따라 온도가 상승합니다. 최근 화성 상공에서 지도화를 위해 측정한 바람은 화성 표면에서 약 140~240km의 고도 범위에서 측정됐습니다. 

 

바람의 데이터는 '천연가스 및 이온질량측정기(NGIMS)'를 통해 수집했습니다. 천연가스 및 이온질량측정기(NGIMS)의 원래 목적은 이온(전기적으로 하전된 입자)과 가스의 양을 측정해 화성의 대기 구성과 구조를 밝히는 겁니다. 본래 이러한 작업을 수행하도록 고안된 장치는 아니지만 2016년 4월 MAVEN 연구진은 NGIMS를 이용해 수평바람(horizontal wind)을 관측하기 시작했습니다. 지구의 과학자들은 일반 데이터 수집을 잠시 멈추고, 이 장치가 고도를 따라 앞뒤로 흔들리며 바람의 방향을 감지할 수 있도록 프로그램을 설정했습니다. 이를 통해 데이터를 수집한 연구진들은 천천히 바람의 거동을 지도로 만들기 시작했습니다. 

 

  • 논의
MAVEN호가 바람 지도를 그리며 찍은 궤도의 경로를 컴퓨터로 시각화했다. 출처: NASA Goddard/MAVEN/SVS/Greg Shirah
MAVEN호가 바람 지도를 그리며 찍은 궤도의 경로를 컴퓨터로 시각화했다. 출처: NASA Goddard/MAVEN/SVS/Greg Shirah

바람의 패턴은 실제로 화성의 지형과 밀접한 관계가 있었습니다. 화성은 지구처럼 높은 산들과 가파른 골짜기를 가지고 있는데요. 지상풍은 이 지형들을 따라 그 주변이나 위쪽에서 불어나아갔는데요. 지상풍의 기류에서 작은 저기압 발달이 예상되는 지역은 대기중력파(Atmospheric gravity waves)의 형태로서 화성의 열권에서도 비슷한 바람 패턴이 반향돼 이어졌습니다.

 

참고로 대기중력파는 안정한 대기에서 연직으로 부력을 받아 변위 된 공기 덩어리가 중력 때문에 원래의 위치로 오려는 과정에서 일어나는 진동을 말합니다. 대기 중력파는 우주에서 발생하는 중력파와는 구분됩니다. 부력파(buoyancy wave)라고 불리기도 합니다. 

출처:  NASA Goddard/MAVEN/CI Lab/Jonathan North
거친 화성 지형을 넘나들며 흐르는 바람(파란색 선)과 위쪽으로 전파된 대기 중력파(회색 선). MAVEN은 이러한 파동을 감지해 지표의 계곡과 산이 어디에 있는지 탐지할 수 있었다. 출처: NASA Goddard/MAVEN/CI Lab/Jonathan North

대기중력파(Atmospheric gravity waves)는 안정한 기단의 이동으로  만들어지며 중력은 유체를 평형 상태로 되돌리려고 합니다. 그 과정에서 유체를 교란시키고 파동을 일으킵니다. 화성 지표의 지형을 중심으로 바람이 밀려들 때 생성되는 대기중력파가 대기권을 통해 위쪽으로 확장되면 MAVEN호가 지표면에 계곡과 산이 있는 곳에서 이를 측정할 수 있었습니다.

 

미시간대학교(University of Michigan)의 Kali Roeten는 "화성의 초고층 대기에서 관측된 바람은 글로벌 모델 시뮬레이션에서 볼 수 있는 바람과 비슷할 때도 있지만, 어떤 때에는 상당히 다르다"며 “이러한 바람은 시간 척도도 매우 가변적일 수 있지만 관측 기간 내내 일관된 경우도 있었다"고 전했습니다.  

 

연구는 다른 행성에서 지표의 지형이 열권에서 중력파의 파동을 유도했음을 밝힌 최초의 발견입니다. MAVEN 연구팀은 이러한 중력파를 화성의 다른 계절과 장소에서 더 연구할 예정이라고 합니다. 

 


##참고자료##

 


 


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