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2015년 11월 30일 월요일

태양계 이야기 451 - 화성 대기의 탄소는 어디로 사라졌을까?



(This graphic depicts paths by which carbon has been exchanged among Martian interior, surface rocks, polar caps, waters and atmosphere, and also depicts a mechanism by which it is lost from the atmosphere with a strong effect on isotope ratio.
Credits: Lance Hayashida/Caltech)​


 화성에서 탄소, 특히 대기 중 이산화탄소가 어디로 사라졌는가 하는 질문은 이상하게 여겨질 수도 있습니다. 현재 화성 대기의 대부분은 이산화탄소이기 때문이죠. 하지만 화성에서 발견된 지질학적 증거들은 이 행성이 수십 억년 전 매우 따뜻해서 액체 상태의 물이 있었다는 것을 시사하고 있습니다. 이것이 가능하려면 지금보다 매우 두꺼운 이산화탄소 대기가 존재해야 말이 됩니다.


 이산화탄소는 대기 중의 다른 분자들보다 무겁기 때문에 태양풍에 쉽게 날아가지 않습니다. 따라서 금성이나 화성처럼 자기장이 약한 행성들은 대부분 이산화탄소가 주종을 이루는 대기를 가지고 있습니다. 그런데 왜 금성과 화성의 대기에서 밀도차이가 이렇게 심하게 나는 것일까요?


 캘리포니아 공대의 렌유 후 박사(Caltech postdoctoral fellow Renyu Hu)와 그 동료들에 의하면 현재 화성의 사라진 탄소(missing carbon)을 설명하는데는 두 가지 이론이 있다고 합니다. 첫째는 우주로 날아갔다는 것이고 두 번째는 카보네이트(carbonate)형태로 지각에 존재한다는 것이죠.

 
 이 문제에 대한 답은 최근 이뤄진 화성 대기 관측 결과에서 나왔습니다. 연구팀은 화성 대기 중의 탄소 -12와 -13 동위 원소의 비율을 측정했습니다. 지표에서의 측정은 큐리오시티의 SAM (Sample Analysis at Mars)이 담당했고 우주에서 날아가는 비율은 메이븐 (MAVEN) 탐사선에 의해 이뤄졌습니다.


 그 결과 실제 화성에서 사라진 상당수의 탄소는 우주로 날아간 것으로 확인되었습니다. SAM 측정 결과에 의하면 무거운 동위원소인 탄소 - 13의 비율이 높았기 때문입니다. 만약 이산화탄소가 지각으로 사라졌다면 무거운 동위원소인 탄소 - 13의 비중이 낮을 것입니다.


 자연 상태의 이산화탄소 속의 탄소는 탄소 -12/13을 일정 비율로 가지고 있습니다. 화성 대기 상부에서 이산화탄소는 자외선(UV)에 의해 일단 산소와 일산화탄소로 분해된 후 다시 일산화탄소가 산소와 탄소 원자로 분해됩니다. 이때 가벼운 원자인 탄소 - 12이 우주로 더 쉽게 날아가게 됩니다. (위의 그림 참조) 메이븐의 관측 결과에 의하면 이렇게 잃는 대기의 양이 초당 100g 정도에 달한다고 합니다.


 연구팀은 이 연구 결과를 토대로 38억년 전 화성의 대기를 재구성해봤습니다. 그 결과 당시 화성 대기는 지구보다 덜 두꺼웠던 것으로 나타났습니다. 아마도 그것은 화성의 표면 중력이 지구의 1/3 수준에 지나지 않기 때문이었을 것입니다.    


 결국 화성이 지금처럼 춥고 메마른 행성이 된 가장 중요한 이유는 위치보다 사실 크기 때문이었을 가능성이 높습니다. 한 때 따뜻한 기후가 있었지만, 이를 유지하는 데 필요한 중력이 없었던 것이죠. 이렇게 생각하면 지구는 여러 모로 복받은 행성이라고 할 수 있습니다.


 참고


http://www.nasa.gov/feature/jpl/msl/loss-of-carbon-in-martian-atmosphere-explained

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