지구의 대기권은 고도에 따른 기온 변화에 따라 4개의 층으로 구분되는데요. 눈, 비, 구름 등의 기상현상이 나타나는 대류권, 오존층이 있는 성층권, 수증기가 존재하지 않아 기상 현상이 일어나지 않는 중간권, 그리고 전리층과 오로라가 있는 열권으로 나뉩니다. 열권은 공기 분자가 태양복사에너지를 다량 흡수해 고도가 높아질수록 기온이 급격히 상승하는 층입니다. 이렇게 지구의 대기는 상층부로 갈수록 기온이 높아지는데요.
그런데 태양으로부터 멀리 떨어져있는 토성, 목성, 천왕성, 해왕성과 같은 거대 가스행성들의 상층부 역시 지구와 마찬가지로 뜨겁다고 합니다. 문제는, 지구와 달리 이 행성들은 태양으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 태양으로 행성들 대기층의 높은 온도를 설명하기엔 역부족이었죠. 이에 외행성의 대기를 뜨겁게 하는 열원이 무엇인지는 행성과학계의 미스터리 중 하나였습니다.
그런데 <Nature Astronomy>에 실린 연구에 따르면 NASA 카시니호의 새로운 데이터 분석을 통해 과학자들이 이 미스터리를 밝혀낸 것 같습니다.
고마워, 카시니호
NASA의 카시니호(Cassini spacecraft)는 1997년 발사돼 2004년 토성에 도착한 뒤 2017년 토성 대기권으로 추락하며 임무를 마쳤는데요. 토성과 그 위성인 타이탄, 엔셀라두스 등에서 물의 존재를 확인하고 엔셀라두스가 생명체가 살기 적합한 환경을 갖추고 있다는 사실을 발견했습니다. 또한 토성 고리의 구성과 기원을 밝히기 위한 데이터도 수집했는데요. '그랜드 피날레(Grand Finale)'라 불리는 카시니호의 마지막 미션은 토성과 토성의 고리 사이로 '다이빙'하는 것이었는데요. 토성과 고리 사이의 거리는 약 2,400km로 이곳을 직접 들어가 조사하는 건 처음이었다고 합니다. 이곳을 무려 22회나 지나쳤다고 하는데요. 카시니의 마지막 임무를 통해 얻을 수 있는 정보는 토성뿐만 아니라 모든 행성계의 형성과 발전을 이해하는데 도움이 됐습니다.
이에 더해 <Nature Astronomy>에 게재된 새로운 연구에 따르면 과학자들은 카시니호의 새로운 데이터 분석을 통해 무엇이 토성과 다른 거대 가스행성들의 상층부 대기를 뜨겁게 유지시켜주고 있는지 알게 됐습니다. 비밀은 행성의 북극과 남극에 있는 오로라였습니다. 태양풍과 토성의 위성에서 나오는 하전된 입자 사이의 상호작용에 의해 촉발되는 전류가 오로라를 점화시켜 상층 대기를 가열하고 있었습니다. 지구에서 오로라라고도 불리는 북극광(northern lights)을 연구하는 과학자들은 오로라 연구를 통해 행성 대기에서 일어나는 일을 밝혀낼 수 있습니다.
카시니호의 그랜드 피날레가 남긴 지도
이번 연구에서는 거대 가스행성 상층 대기의 온도와 밀도 모두 완벽하게 지도화했다고 하는데요. 이곳은 지금까지 제대로 이해되지 않았던 부분이었다고 합니다. 과학자들은 대기 중 열이 어떻게 순환하는지에 대한 완전한 그림을 구축하면서 어떻게 오로라의 전기적 흐름이 토성 대기의 상층을 가열하고 바람을 몰고 가는지 더 잘 이해할 수 있게 됐습니다.
토성 대기의 새로운 온도 지도를 위한 핵심 자료가 수집된 건 그랜드피날레 기간이었다고 하는데요. 6주간 카시니호는 토성 뒤를 지나갈 때 오리온 자리와 큰 개 자리(Canis Major)에 있는 여러 밝은 별들을 목표물로 삼았다고 하는데요. 우주선이 이 거대한 행성 뒤에 별이 뜨고 지는 걸 관찰하면서 과학자들은 별빛이 대기를 통과할 때 어떻게 변하는지 분석했습니다.
대기 밀도를 측정하며 과학자들이 온도를 찾는데 필요한 정보를 얻을 수 있었습니다. 그리고 밀도와 온도 측정은 모두 과학자들이 풍속을 알아내는데 도움이 됐는데요. 토성의 대기 상층부를 이해하는 건 행성과 우주가 만나는 지점을 이해하는 것이고 이는 우주 날씨를 이해하는 열쇠가 됩니다. 그리고 우리 태양계의 다른 행성들과 다른 항성 주변의 외계행성에 미치는 영향을 이해할 때도 중요합니다.
행성 전체의 바람 시스템은 이 에너지를 분산시킬 수 있는데요. 이 에너지는 처음에는 극지방 근처에서 적도쪽으로 쌓인다고 하는데요. 그러다 태양풍의 가열 만으로도 예상 되는 온도보다 두 배나 높은 기온으로 가열된다고 합니다.
카시니호의 자외선 이미징 스펙트럼그래프(Ultraviolet Imaging Spectograph, UVIS)팀이자 이번 연구의 저자인 Tommi Koskinen는 "이번 연구 결과는 행성 상층 대기권에 대한 일반적인 이해에 필수적이며 카시니호의 유산 중 하나라고 할 수 있다"며 "그들은 태양으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 나머지 대기는 차가운데 반해 상층부 대기는 왜 그렇게 고온인지 답하는데 도움을 줬다"고 설명합니다.
토성의 대기 상층부를 이해하는 건 행성과 우주가 만나는 지점을 이해하는 것이고 이는 우주 날씨를 이해하는 열쇠가 됩니다. 그리고 우리 태양계의 다른 행성들과 다른 항성 주변의 외계행성에 미치는 영향을 이해하는데에도 중요합니다.
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