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2012년 11월 30일 금요일

태양계 이야기 122- 카시니가 관측한 토성의 폭풍들



 
 나사의 카시니 (Cassini) 탐사선은 지난 1997 년 발사된 이후 2004 년 토성궤도에 돌입하여 2012 년 현재까지도 계속해서 임무를 수행하고 있습니다. 카시니는 실제 예상 임무 기간이 끝난 후에도 계속해서 확장 임무를 맡았으며 2010 년에는 Cassini Solstice Mission 을 시작 2017 년까지 진행할 수 있다면 진행할  예정입니다. 그 이후 카시니의 운명은 토성 대기권 안쪽으로 사라지는 것입니다. 마치 지구를 도는 인공 위성 중 상당수가 지구 대기권으로 떨어져 최후를 맞이하듯 카시니 역시 그렇게 최후를 맞이하는 것이 현재 계획입니다. 


 하지만 카시니는 현재도 토성 궤도에서 우리에게 생생한 토성의 모습을 전송하고 있습니다. 토성 역시 태양계에서 매우 거대한 폭풍이 발생하는 행성 가운데 하나입니다. 그 스케일은 지구 전체가 들어가고도 남는 수준일 때도 있습니다. 이는 지구에 있는 망원경으로 관측이 가능할 정도이지만 카시니는 더 선명한 해상도로 근접 촬영 사진을 지구로 전송할 수 있습니다. 오늘은 이 사진들의 이야기 입니다. (사진들은 클릭하면 고해상도 원본을 볼수 있습니다) 




(2012 년 11월 27일 촬영된 토성의 거대 사이클론, 토성의 북극에서 관찰되었는데  마치 그 생김새가 지구의 태풍의 눈과 흡사합니다  Image: NASA/JPL/Space Science Institute. )


 위의 사진은 토성에서 약 40 만 km 정도 떨어진 위치에서 찍은 것으로 토성의 크기를 고려하면 꽤 근접 사진이라고 할 수 있습니다. 토성의 상부 대기는 100 - 160 K 수준으로 매우 춥지만 초속 500 미터 수준 (시속 1800 km) 의 아주 빠른 바람이 불어대는 환경이기도 합니다.


 토성 상층의 대기를 이루는 기체의 96.3% 는 수소이고 나머지 3.25% 정도는 헬륨입니다. 사실 이 물질들만 있다면 토성 대기의 생김새는 매우 단조로울 것입니다. 하지만 기타 암모니아, 아세틸렌 (Acetylene), 에탄 (ethane), 프로판 (propane), 메탄 (methane) 및 이보다 더 복잡한 유기 화합물들이 토성 대기 상층부에서 기체 상태로 존재하고 있으며 이로 인해 토성 역시 목성 처럼은 아니지만 다양한 폭풍과 구름의 패턴을 만들 수 있습니다. 이 물질들은 토성의 추운 기온에서도 기체나 액체 상태로 있을 수 있기 때문이죠. 


 토성의 극지방에서 역시 다양한 극와류 (polar vortex) 가 생기는 것으로 알려져 있으며 위에서 보는 것 같은 소용돌이 패턴 이외에 독특한 육각형 무늬를 만드는 것으로도 유명합니다. 사실 이런 태풍을 보다 멀리서 바라보면 아주 독특한 모양이 나타납니다. 



(2012 년 11월 27 일. 같은 날 카시니에 의해 쵤영된 토성의 북극의 거대 육각형 모양 구름 구조   This raw, unprocessed image of Saturn was taken on November 27, 2012 and received on Earth November 27, 2012. The camera was pointing toward Saturn at approximately 376171 kilometers away, and the image was taken using the CB2 and IRP0 filters. The image has not been validated or calibrated.    NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute   ) 


 위의 사진은 이 태풍의 눈 주변을 살펴본 것입니다. 흥미롭게도 안쪽은 거대 허리케인 같은데 주변에는 다시 작은 소용돌이들이 존재하고 크게는 육각형 모양이 나타납니다. 흑백으로 보이는 이유는 본래 이미지라서 그런데 우리가 보는 아름다운 천체 사진들은 본래의 이미지 (Raw Image) 이외에 컬러 처리와 칼리브레이션 등을 거친 이미지들이 많기 때문입니다. 


 이 거대 육각형 (Saturn'e Hexagon) 이 정확하게 왜 생기는 지는 아직 확실치 않습니다. 그 위치는 북위 78 도 이상에서 북극 까지이며 각변의 최대 길이는 13800 km 로 지구 지름보다 더 큽니다. 그렇다면 이 거대한 육각형의 크기를 짐작할 수 있을 것입니다. 이 육각형 자체로 지구보다 거대합니다. 그리고 대략 10 시간 39 분 24 초를 주기로 이 육각형이 회전합니다.




(실제 움직이는 토성의 육각형을 연속 사진으로 본것. 2009 년 12월 10 일    NASA/JPL/Space Science Institute )  


 이 육각형은 토성이 계절과 연관이 있습니다. 토성의 1 년은 대략 29 지구년인데 아마도 긴 겨울동안은 보이지 않다가 다시 봄이 되면 등장하는 것으로 보입니다. 1980 년대 보이저 탐사 때 나타난 이 육각형은 이후에는 확인되지 않다가 2009 년에 이르러서 다시 등장했습니다. 과학자들은 왜 이런 이상한 현상이 토성에서 주기 적으로 나타나는지 매우 궁금해 하고 있으나 아직 확실한 이론은 없습니다. 다만 이것이 북위 78 도 이상에서 나타나는 제트 기류의 패턴이라고 생각할 수 있습니다. 



 토성에서 가장 흥미로운 대기 패턴을 뽑으라면 역시 위의 북극 와류와 태풍, 그리고 무엇보다 육각형이겠지만 토성에서는 다른 주목할만한 기상현상이 나타나곤 합니다. 특히 토성의 거대 폭풍이 그렇습니다. (아래 사진) 




(  토성의 거대 폭풍인 대백점 (great white spot)   2012 년 3월 11일  NASA/JPL-Caltech/SSI


 토성의 거대한 폭풍인 대백점은 목성의 대적점 (great red spot) 과 비슷한 이름으로 지어졌는데 사실 19 세기 부터 지구에서 관측이 가능했습니다. 하지만 목성의 대적점과는 달리 적어도 400 년 이상 지속된 폭풍은 아니며 주기적으로 등장하는 패턴을 가지고 있습니다. 즉 1876 년 Asaph Hall 에 의해 처음 관측된 이래 1903 년, 1933 년, 1960 년, 1990 년 하는 식으로 28.5 년 주기로 등장했던 것입니다. 하지만 반드시 이 주기를 지키지는 않는 것으로 보입니다.  


 이 대백점은 카시니 덕분에 더 상세한 관측이 가능해졌는데 2010 년 - 2011 년 사이 관측에 의하면 이 흰색 구름에는 아세틸렌 (acetylene) 성분은 소실된 반면 포스핀 (phosphine) 의 양은 증가되어 있으며 구름 가운데는 기온이 떨어져 있는 것이 관측되었습니다. 카시니의 composite infrared spectrometer (CIRS) 관측 결과에 의하면 실제로 가시 광선 영역에서 관찰이 가능한 (그래서 지구의 아마추어 천문가들도 관측이 가능한) 대백점이 사라진 이후에도 적외선 영역에서는 관측이 가능한 거대한 변화가 지속되고 있다는 점이 최근 밝혀졌습니다. 



(These red, orange and green clouds (false color) in Saturn's northern hemisphere indicate the tail end of the massive 2010-2011 storm. Even after visible signs of the storm started to fade, infrared measurements continued to reveal powerful effects at work in Saturn's stratosphere. (Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute )    


 아래 사진은 가시 광선 영역이 아닌 적외선 영역 관측 결과로 대백점 등장 이후에 다시 비정상적으로 온도가 상승하는 구름이 있으며 미스테리 하게도 에틸렌의 농도가 증가하는 것이 관측되었습니다. 왜 그런지에 대해서 아직 우리는 별로 아는 것이 없습니다. 






 

(타이탄과 토성의 구름, 고리의 모습 Image credits: NASA/JPL-Caltech/SSI ) 


 이런 흥미로운 거대 폭풍과 구름에 대한 관측을 포함 카시니는 계속해서 수명을 다할 때 까지 우리에게 토성과 그 위성, 고리의 사진들을 전송하고 있습니다. 토성은 1 년이 대략 29.5 지구년 정도로 계절의 변화 역시 매우 긴 편입니다. 하지만 카시니가 예상외로 오래 임무를 수행하면서 우리는 그 변화에 대해서 귀중한 정보를 얻을 수 있었습니다. 2017 년 이후에 토성 탐사 임무는 한동안 공백이 생길 것으로 생각됩니다. 인류의 지식의 한계를 확장하기 위한 새로운 탐사 미션이 필요한 시점입니다. 


 참고 










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