태양계 이야기 748 - 화성의 물 순환 주기를 밝히다

(Billions of years ago, Mars could have looked like this with an ocean covering part of its surface. Credit: NASA/GSFC)

(Vertical distribution of water vapor on Mars during the course of a Mars year, here shown at 3 am local time. Only when it is summer on the southern hemisphere can water vapor reach higher atmospheric layers. Credit: GPL, Shaposhnikov et al.: Seasonal „Water“ Pump in the Atmosphere of Mars: Vertical Transport to the Thermosphere)

 과거 화성은 큰 바다와 강이 있던 물의 행성이었습니다. 하지만 옅은 대기와 약한 중력으로 인해 현재 표면에는 액체 상태의 물을 보기 어려운 상태입니다.  화성은 초기에 지닌 물의 80%를 잃어버린 것으로 생각되며 표면에 남은 물은 대부분 빙하의 형태로 존재하고 있습니다. 그리고 여기서 매우 소량의 수증기가 나와 대기 중에 기체 상태로 존재합니다. 

 흥미로운 사실은 아직도 화성 대기 상층에서 물이 빠져나가고 있다는 것입니다. 소량의 수증기가 대기 상층으로 올라가면 태양 에너지에 의해 수소와 OH 기로 분리된 후 수소 이온이 우주로 빠져나가게 됩니다. 독일과 러시아의 과학자들은 시뮬레이션을 통해 이 과정을 설명할 수 있는 모델을 만들었습니다. 

 연구팀에 따르면 화성에서 물이 빠져나가는 과정은 아무때나 일어나는 것이 아니라 특정한 위치와 특정한 시기에만 가능합니다. 이유는 화성의 기온이 낮고 공전궤도가 지구보다 더 이심률이 큰 타원이기 때문입니다. 이로 인해 남반구 여름은 북반구의 여름보다 더 기온이 높습니다. 따라서 2년 주기로 남반구의 여름이 되면 남극 빙관에서 수증기가 방출되어 대기 중으로 퍼지게 됩니다. 이 시기에 차가운 대기 중간층을 뚫고 수증기가 대기 상층부로 올라가 우주로 탈출하는 것입니다. (두 번째 사진) 

 물론 모두 탈출에 성공하는 것은 아니며 상당수의 수증기는 다시 얼어 가까운 극지방에 얼음의 형태로 보관되게 됩니다. 하지만 또 다른 요인에 의해 물이 탈출할 기회가 늘어나는 경우가 있습니다. 바로 화성의 모래 폭풍입니다. 먼지 입자가 태양열을 흡수해 수증기에 전달하면 중간의 차가운 공기층을 통과해 대기 상층부로 올라갈 가능성이 높아집니다. 

 화성이 지금처럼 춥고 건조한 행성이 된 것은 태양에서 먼 거리와 상대적으로 작은 크기 때문일 것입니다. 하지만 그렇다고 해서 물이 없는 것도 아닙니다. 화성의 물은 과학자들에게 매우 흥미로운 주제로 앞으로도 많은 연구가 이뤄질 것입니다. 

 참고 

Dmitry S. Shaposhnikov et al. Seasonal Water "Pump" in the Atmosphere of Mars: Vertical Transport to the Thermosphere, Geophysical Research Letters (2019). DOI: 10.1029/2019GL082839

https://phys.org/news/2019-05-mars.html