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2012년 11월 25일 일요일

태양계 이야기 121 - 화성의 폭풍과 구름




 제에게 화성하면 생각나는 우선 이미지는 차가운 모래 사막이라는 것입니다. 물론 이 부분은 화성에 대해 어느 정도 기반 지식이 있어야 겠지만 말이죠. 아무튼 대기가 희박한 화성에서도 여러가지 기상현상이 발생합니다. 이전에 소개한 더스트 데빌 (Dust Devil) 이나 화성에 양 극지방에 내리는 드라이 아이스 눈 같은 경우가 대표적이라고 하겠습니다. 

 참고 : 더스트 데빌  http://blog.naver.com/jjy0501/100155718543
          화성의 눈     http://blog.naver.com/jjy0501/100166964484


 사실 화성의 대기는 지구 대기의 1% 에도 미치지 못할 정돌 옅으며 대부분 이산화탄소로 되어 있습니다. 2012 년 큐리오시티 로버 (Curiosity Rover) 가 보내온 자료에 의하면 95.9% 는 이산화탄소이며 2.0% 가 아르곤 (Ar), 1.9% 는 질소 (N2) 0.14% 는 산소 (O2) 인 것으로 나타났습니다. 



(큐리오시티 로버가 측정한 2012 년 화성의 대기 조성  Source  NASA/JPL-Caltech, SAM/GSFC ) 


 화성 탐사선, 로버들과 착륙선이 측정한 실제 화성의 표면 온도는 평균적으로 - 55℃ 정도로 지역에 따라 27 ℃ 에서 - 143 ℃ 정도로 극단적으로 다양하지만 (이는 부분적으로 화성에 바다가 없기 때문임) 대부분은 영하에 추운 기후에 지구 대기의 1% 수준도 안되는 옅은 대기로 인해 액체 상태의 물은 거의 없고 대부분 양 극관과 지하에 얼어 있으므로 대기 중 수증기는 거의 존재하지 않습니다. 따라서 화성은 극도로 춥고 옅으면서 메마른 이산화탄소 대기를 가지고 있기 때문에 별 기상현상이 없을 것 같지만 의외로 다양한 기상현상이 발생한다는 것이 지난 수십년간의 탐사에서 밝혀진바 있습니다. 


 특히 화성에서는 이전에 소개한 더스트 데빌 같은 작은 모래 소용돌이 뿐 아니라  진짜 거대한 크기의 모래 폭풍이 생겨서 행성의 상당 부분을 뒤덥기까지 합니다. 사실상 태양계 최대급의 모래 폭풍이 화성에서 생기는 셈입니다. 이는 화성 표면에 대량으로 존재하는 모래 먼지와 바다의 부재 때문이기도 합니다. 비록 지구에 비해 단위 면적당 태양으로 부터 받는 열에너지는 적지만 이를 완충시킬 바다가 없기 때문에 일부 지역이 태양으로 부터 열을 더 흡수하는 경우 여기서 거대한 상승기류가 생겨 거대한 모래 먼지를 엄청난 크기와 높이로 하늘로 올려 보낼 수 있는 것이죠. 


 최근 화성에서 표면을 지속적으로 탐사중인 MRO (Mars Reconnaissance Orbiter ) 는 화성 표면에서 남반구의 상당 부분을 뒤덥을 만큼 거대한 모래 폭풍을 발견했습니다. 우선 2012 년 11월 16 일에 MRO 는 화성의 일부 지역의 대기가 섭씨 25 도 수준으로 뜨거워진 것을 발견했습니다. 그리고 이 지역에서 거대한 모래 폭풍의 존재가 발견되었습니다. 이 모래 폭풍은 순식간에 커져 11월 18일에는 거의 남반구의 절반을 가로지는 수준으로 거대해졌습니다. 



(2012 년 11월 18일 화성의 MRO 가 관측한 모래 폭풍. (흰색 화살표 안쪽. 지표면을 여러개의 조각으로 잘라 본 영상)  This nearly global mosaic of observations made by the Mars Color Imager on NASA's Mars Reconnaissance Orbiter on Nov. 18, 2012, shows a dust storm in Mars' southern hemisphere. Small white arrows outline the area where dust from the storm is apparent in the atmosphere. (Credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS) )       


 현재 궤도의 MRO 이외에 지상에는 두 로버 - 오퍼튜니티 (Opportunity) 와 큐리오시티 (Curiosity) - 가 있는데 이 폭풍은 딱 그 중간에 생겨있습니다. 이 두 로버간의 거리가 거의 행성 반대 편이기 때문에 폭풍의 크기를 짐작할 수 있을 것입니다. 이 폭풍이 더 커지면 태양 전지로 작동하는 오퍼튜니티는 영향을 받을 수 밖에 없습니다. 반면 원자력의 힘으로 이동하는 큐리오시티는 이미지가 흐려지고 주위가 어두어지는 것 이외의 영향은 없을 것입니다. 


 과학자들은 화성 궤도의 탐사선과 지상의 로버 덕에 이 모래 폭풍에 대해서 더 자세한 정보를 획득할 수 있습니다. 이전에도 로버들은 지상에서 모래 폭풍을 관찰한 적이 있었습니다. 특히 2007 년 발생한 대규모 모래 폭풍은 화성의 거의 대부분을 덮다 시피해서 상당한 거리에 떨어진 오퍼튜니티와 스피릿 로버 모두에 영향을 미쳤습니다. 단 이번엔 폭풍이 더 커진다고 해도 큐리오시티는 문제 없겠죠. 


 
(2007 년 빅토리아 크레이터에서 화성의 모래 폭풍을 직접 겪은 오퍼튜니티. 모래 폭풍이 심해짐에 따라 주변이 더 어두워짐 a time-lapse composite of the Martian horizon during a dust storm taken in July 2007 Sols 1205 (0.94), 1220 (2.9), 1225 (4.1), 1233 (3.8), 1235 (4.7) by NASA's Mars Exploration Rover Opportunity at Victoria crater. Source : NASA/JPL  ) 


 이전에 관측으로 이 모래 폭풍이 사실 크기에 비해 바람의 세기는 아주 강력하지 않다는 것을 알고 있습니다. 풍속은 17 m/s 정도이며 가끔식 26 m/s 수준의 돌풍을 동반하는 수준입니다. 대기의 수준이 매우 옅기 때문에 세찬바람으로 느껴지지는 않을 수준입니다. 여기에 매우 미세한 모래의 입자들이 섞여 있는 수준으로 뭔가 날라다니는 모습이 아니라 그냥 주변이 어두워지는 모습만이 로버가 보낸 영상에서는 타나났습니다. 


 다만 이 폭풍은 미세 모래 입자를 아주 높은 곳까지 밀어 올리는 것 같습니다. 화성 지표에서 아마도 최대 100 km 정도 높이에 이르는 곳에 미세 먼지과 얼음 입자의 상호 작용으로 인한 구름이 형성되는데 매우 희미한 구름이지만 빛을 반사해 지표에서 관측될 수 있습니다. 이 구름은 건조한 화성에서 그래도 얼음을 기대할 수 있는 극지방에서 생겨나는 것으로 보입니다. 지난 2008 년 피닉스 (Phoenix) 착륙선이 이를 실제로 착륙했습니다. 



( 화성의 구름. 약 10 분 정도 시간동안 10 프레임을 찍은 것.  Clouds scoot across the Martian sky in a movie clip consisting of 10 frames taken by the Surface Stereo Imager on NASA's Phoenix Mars Lander. NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Texas A&M University ) 


 이런 기상 현상들이 생긴다는 점도 흥미로운 점이지만 더 흥미로운 사실은 화성의 북극 지역에서 매 화성년 (즉 지구 달력으로 1.88 년) 마다 똑같은 시기에 동일한 크기로 거대 구름이 생긴다는 것입니다. 비록 이 구름이 마치 허리케인이나 태풍처럼 눈과 소용돌이 같은 구조를 가지고 있지만 실제로는 회전은 하지 않습니다. 이들은 북반구의 여름에 아주 높은 고도에서 생서되었다가 사라지는데 바깥쪽 지름은 1600 km 에 달하며 안쪽의 눈의 크기는 320 km 에 달합니다. 



(화성의 거대 사이클론 [left]: Here is the discovery image of the Martian polar storm as seen in blue light (410 nm). The storm is located near 65 deg. N latitude and 85 deg. W longitude, and is more than 1000 miles (1600 km) across. The residual north polar water ice cap is at the top of the image. A belt of clouds like that seen in previous telescopic observations during this Martian season can also be seen in the planet's equatorial regions and northern mid-latitudes, as well as in the southern polar regions. The volcano Ascraeus Mons can be seen as a dark spot poking above the cloud deck near the western (morning) limb. This extinct volcano towers nearly 16 miles (25 km) above the surrounding plains and is about 250 miles (400 km) across.

[upper right]: This is a color polar view of the north polar region, showing the location of the storm relative to the classical bright and dark features in this area. The color composite data (410, 502, and 673 nm) indicate that the storm is fairly dust-free and therefore likely composed mostly of water ice clouds. The bright surface region beneath the eye of the storm can be seen clearly. This map covers the region north of 45 degrees latitude and is oriented with 0 degrees longitude at the bottom.

[lower right]: This is an enhanced orthographic view of the storm centered on 65 deg. N latitude, 85 deg. W longitude. The image has been processed to bring out additional detail in the storm's spiral cloud structures. 

The pictures were taken on April 27, 1999 with the NASA Hubble Space Telescope's Wide Field and Planetary Camera 2.   Source : NASA


 왜 이런 특이한 기상 현상이 화성에서 발생하는지 현재까지 우리는 아는 바가 별로 없습니다. 매우 옅은 대기와 차가운 대기, 건조한 환경을 가진 화성에서 이런 다양한 기상현상이 발생한다는 것은 뜻밖이기도 하지만 또 흥미로운 일이기도 합니다. 
  


 참고 




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