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2012년 7월 10일 화요일

태양계 이야기 98 - 카시니에 의해 밝혀지는 타이탄의 본 모습 (2)







 - 타이탄의 지표와 기후 


 앞서 이야기한 타이탄의 복잡한 대기와 다양한 기후는 타이탄 역시 지구에서 볼 수 있는 것 같은 다양한 지형을 가지고 있을 것이라는 추측을 가능하게 만듭니다. 따라서 타이탄 지표에 착륙한 호이겐스가 보내올 영상에 큰 기대를 걸고 있었으나 아쉽게도 호이겐스가 보내온 화면은 지표에 돌과 자갈 처럼 보이는 (실제로는 물이 얼어서 생긴 얼음으로 보임) 황량한 표면이었습니다. 




(호이겐스가 보네온 지표 영상을 선명하게 이미지 처리한 것. 실제로는 지표 부근도 뿌옇게 보이는 상태  NASA.  public domain )


 착륙 지점에는 약 18 km 두께의 메탄 구름이 존재해서 선면한 영상을 얻기는 힘들었습니다. 과학자들은 타이탄의 표면에서 액체로 존재할 수 있는 메탄 (CH4,  녹는 점 - 182 ℃, 끓는 점 - 160 ~ - 164   ) 에탄 (C2H6,  녹는점 - 183.6 ℃, 끓는 점 -89  ), 프로판 (C3H8, 녹는점 - 188 ℃, 끓는 점 - 42 ℃ ) 등의 탄화수소로 이루어진 강과 호수를 볼 수 있도록 호이겐스를 액체 표면에도 착륙할 수 있는 특수 구조로 제작했으나 그냥 단단하고 황량한 얼음 황무지에 착륙한 셈입니다. 


 하지만 호이겐스는 착륙하는 과정에서 타이탄에 실제 강과 호수가 있다는 사실을 발견했습니다. 호이겐스가 고도 16.2 km 에서 찍은 사진에는 강이라고 볼 수 밖에 없는 지형이 발견되었습니다. 



(호이겐스가 착륙 중에 고도16.2 km 지점에서 찍은 사진    NASA/ESA   public domain   )

 호이겐스가 착륙한 것은 2004 년 12월 25일이었는데 이후에도 카시니는 타이탄에 여러 차례 근접해 다양한 관측 기기로 타이탄의 대기와 표면을 조사했습니다. 특히 카시니에는 지구보다 두터운 타이탄의 대기를 뚫고 지표를 관측할 수 있는 합성 개구 레이더 (Synthetic Aperture Radar  SAR) 가 탑재되어 있습니다. 반사된 레이더를 분석하면 이것이 액체에서 반사된 것인지 울퉁불퉁한 표면에서 반사된 것인지를 알 수 있습니다. 그 결과 타이탄에는 큰 바다보다는 무수히 많은 호수들이 존재하는 것으로 나타났습니다. 



(합성 개구 레이더가 관측한 타이탄의 북극지역의 가상 칼라 이미지. 파란색으로 보이는 부분은 호수로 생각되는 지형.   NASA  /  public domain) 


위의 이미지에서 처럼 타이탄에는 주로 액체 상태의 메탄과 에탄이 주성분이 되는 호수들이 다수 존재합니다. 이것들 가운데 가장 큰 축에 속하는 것들은 바다라는 의미의 Mare (maria) 라고 부르고 있는데 대표적인 것은 지구의 카스피해 만한 면적을 가진 호수인 크라켄 마레 (Kraken Mare) 로 현재까지 관측된 것 가운데 가장 큰 호수입니다. (위의 사진에서는 왼쪽) 


 그리고 그 다음으로 큰 호수는 리지아 마레 (Ligeia Mare) 로 위의 사진에서 전체 모습이 다 보이는 오른쪽의 호수입니다. 각각 크라켄 해와 리지아 해로 부를 수 있겠죠. 마지막으로 가장 작은 푼가 마레 (Punga Mare) 가 있는데 위의 사진에서 한 가운데 있는 가장 작은 호수입니다. 이것들 보다 작은 호수들은 호수라는 의미의 lacus 로 부르고 있습니다. 


 북극을 중심으로 존재하는 3개의 마레들의 크기는 크라켄 마레가 지름 1170 km 정도로 가장 크고 면적도 카스피해 (약 37 만 ㎢ ) 수준으로 큽니다. 두번째 큰 리지아 마레는 지름 500 km 정도이고 대략 10 만 수준의 면적을 가지고 있습니다. 오대호 가운데 하나인 슈피리어호보다 조금 큰 수준으로 보입니다. 타이탄의 표면적을 감안하면 지구에서는 흑해가 비슷한 비중을 가진 바다라고 할 수 있습니다. 푼가 마레는 380 km 정도 지름입니다.  






(오대호 가운데 하나인 슈피리어 호 (lake superior )와 리지아 마레의 크기 비교. 타이탄에는 대양보다는 거대한 호수들이 다수 존재하는 것으로 생각됨.   NASA/  public domain) 



 (합성 개구 레이더는 타이탄의 크라켄 마레와 리지아 마레 해안에서 잘 발달된 강과 지류 처럼 보이는 것들을 발견했음. 이것은 어느 정도 미리 예측되었던 것이지만 지구 이외의 천체에서 처음으로 액체가 실제 흐르고 있는 강을 발견한 것이기도 합니다. NASA/  public domain  ) 


 이 정도만 해도 놀라운 발견이기는 하지만 새로운 놀라운 발견들이 더 존재합니다. 타이탄은 토성을 따라 태양 주위를 29.4571 년 마다 하다 한번 공전하게 되는데 태양에서 토성까지 거리가 변함에 따라 태양에너지의 양도 따라 변하게 됩니다. (참고로 토성의 원일점은 15억 1325만 km 이고 근일점은 13억 5357 만 km 입니다. 근일점과 원일점에서 거리 차이는 태양 - 지구 공전 궤도 보다 큽니다.) 따라서 타이탄의 기온도 이에 따라 변화가 생깁니다. 하지만 이 거리의 차이보다 더 크게 타이탄의 기후에 영향을 주는 인자가 있습니다. 


 타이탄은 토성의 크기와 토성과의 거리를 생각해을 때 토성에 아주 근접해서 돌고 있습니다. 따라서 지구의 달 처럼 타이탄의 자전 및 공전 주기는 동기화 되어 있고 타이탄의 한쪽 면만 계속 토성을 따라 돌고 있습니다. 또 공전 궤도나 자전축 모두 거의 원과 수직입니다. 그러나 토성 자체는 지구와 거의 비슷한 정도인 26 도 정도로 자전축이 기울어져 있습니다. 이것이 의미하는 바는 사실상 타이탄의 공전 궤도가 태양 광선 방향에서 거의 그 정도 수준으로 기울어져 있다는 것입니다. 이에 따라 타이탄에서는 대략 토성의 공전 주기와 비슷한 29.5 년 마다 계절의 변화가 일어나게 됩니다. 



(토성과 그 위성들. 토성 근방에 타이탄의 경우 토성을 중심으로 보면 적도에서 거의 수평인 궤도를 돌고 있지만 토성 차제 자전축이 기울어져 있어 태양을 중심으로 보면 기울어진 공전궤도 돌고 있음. 사진은 보이저 1 호가 찍은 토성과 그 위성들.   NASA   public domain    )


 과학자들은 현재 타이탄의 북반구는 겨울이고 남반구는 여름이라고 생각하고 있습니다. 즉 기온이 내려가면 증발하는 것보다 더 많은 메탄과 에탄등이 응결되어 비나 눈이 되어 내리고 액체 상태의 큰 호수와 바다를 형성하는 반면 기온이 올라가면 반대로 증발하는 양이 많아져 호수와 바다가 줄어들거나 사라지는 현상이 일어난다는 것입니다. 겨울과 여름의 주기는 지구처럼 남북이 반대이며 대략 15년 정도 계절이 지속되는 것으로 생각되지만 보다 상세한 관측이 필요합니다.  


 앞서 타이탄 지표의 평균 기온이 - 179 ℃ 라고 이야기 하긴 했지만 이것이 모든 지역에서 기온이 그 정도라는 의미는 물론 아닙니다. 지구의 평균 기온도 14 ℃ 정도지만 계절, 위도와 지역에 따라 그 차이가 큰데, 타이탄에서도 마찬가지 현상이 일어나며 현재는 북반구가 겨울이라 북반구에 거대한 호수가 형성되어 있다는 것이죠. 


 타이탄에는 지구에서 볼 수 있는 해들리 순환도 일어나고 있을 것으로 생각합니다. 다만 지구와는 달리 하나의 거대한 해들리 세포 (Hadley Cell) 가 대기의 흐름을 지배하고 있는 것으로 보입니다. 메탄 및 에탄 등으로 구성된 구름도 순환하면서 눈과 비를 내리고 있는 것으로 보입니다. 그리고 극지방에서는 거대한 호수가 형성될 만큼 주기적으로 기온이 내려가는 것으로 생각됩니다. 다만 이 부분은 좀더 장기적인 관측이 필요할 것으로 보입니다. 왜냐하면 한번 계절의 순환 사이클이 30 년 가까이 되기 때문이죠.


 현재까지 발견된 호수들은 특히 북극에 집중적으로 존재하며 중위도 이하 - 이른바 온대 및 열대라고 생각할 수 있는 지역 - 에서는 발견되지 않는다는 것입니다. 이것이 의미하는 바는 아마도 타이탄의 중위도 및 저위도 지역의 기온이 따뜻해서 탄화수소의 비가 내려도 곧 다시 증발하게 되는 것으로 보입니다. 또 이 지역에는 강유량 (강수량이라고 해야 할 지 아니면 기름 유자를 써서 강유량이라고 해야 할 지 다소 애매한 부분) 이 적은 사막이 펼쳐져 있을 가능성도 있습니다.  


 분명한 것은 남극에도 호수가 북극보다 작지만 존재하고 있다는 사실입니다. 또 과학자들은 아마도 구름이 비가 되어 내린 후 호수를 형성하거나 기존의 호수를 더 크게 만드는 기상 현상이 일어나고 있으며 우리가 그 모습을 남극에서 관측했을지도 모른다고 생각하고 있습니다. 


   
(카시니가 찍은 2004 년과 2005 년 사이 남극의 온타리오 호수와 주변의 구름. 과학자들은 이 구름에서 메탄/에탄/프로판등으로 구성된 비가 내려 새로운 호수를 형성하고 온타리오 호수 (대략 길이 235 km 정도 길쭉한 호수 ) 에 액체를 추가로 공급한 것으로 보고 있음. 온타리오 호수는 타이탄에서는 남극에 존재하는 유일한 거대 호수임.   http://en.wikipedia.org/wiki/File:Titan_S._polar_lake_changes_2004-5.jpg )  


 안타까운 일이지만 카시니는 토성 주변을 공전하며 타이탄에 주기적으로 근접하기 때문에 상세한 기상 현상과 호수와 바다의 변화 등을 관측하는데는 한계가 있습니다. 미래에 타이탄의 주변 궤도를 돌면서 합성 개구 레이더 및 가시/적외선 영역 관측을 하는 탐사선이 개발된다면 우리는 타이탄의 지형에 대해서 더 잘 알 수 있을 것입니다. 실제로 이것도 계획 중에 있는데 나중에 설명해 보겠습니다. 






 참고 




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