기본 콘텐츠로 건너뛰기

태양계 이야기 137 - 잘못된 위치에 있는 이오의 화산 ?




 태양계에서 가장 활발한 화산 활동이 발생하고 있는 장소를 고르라면 바로 이오 (Io) 를 생각할 수 있습니다. 평균 반지름 1821 km 로 달보다 약간 더 큰 위성인 이오는 목성 표면에서 약 42 만 km 정도 떨어진 궤도를 1.77 일 정도 주기로 공전하고 있는데 지구 - 달 보다는 더 멀지만 워낙 목성의 중력이 강해 강력한 조석력의 힘에 의해 내부가 가열됩니다. (Tidal heating) 여기에는 특히 가니메데와 유로파 같은 근접해서 공전하는 다른 위성에 의한 작용도 있습니다. 따라서 지구보다 훨씬 작은 천체임에도 격렬한 화산 활동이 발생합니다.



(갈릴레오 탐사선이 찍은 이오의 화산. 거대한 화산으로 인해 표면이 매우 다채로운 것이 특징인 목성의 위성. 붉은 원 모양의 Pele 의 위쪽에 새로 생긴 지름 400 km 의 검은 점은 새롭게 생긴 것으로 갈릴레오에 의해 관측됨. 100 개 정도의 화산이 이오의 표면에 존재 This global view of Jupiter's moon, Io, was obtained during the tenth orbit of Jupiter by NASA's Galileo spacecraft. Io, which is slightly larger than Earth's moon, is the most volcanically active body in the solar system. In this enhanced color composite, deposits of sulfur dioxide frost appear in white and grey hues while yellowish and brownish hues are probably due to other sulfurous materials. Bright red materials, such as the prominent ring surrounding Pele, and "black" spots with low brightness mark areas of recent volcanic activity and are usually associated with high temperatures and surface changes. One of the most dramatic changes is the appearance of a new dark spot (upper right edge of Pele), 400 kilometers (250 miles)in diameter which surrounds a volcanic center named Pillan Patera. The dark spot did not exist in images obtained 5 months earlier, but Galileo imaged a 120 kilometer (75 mile) high plume erupting from this location during its ninth orb  Credit : NASA  ) 


 이오 보다 약간 더 먼 거리에서 1:2:4 궤도 공명 (orbit resonance, 혹은 Laplace resonance) 을 하고 있는 유로파(에우로파) 및 가니메데는 그 중력으로 이오가 약간 타원 궤도를 돌게 만듭니다. 사실 그 궤도의 차이는 크지는 않습니다. 42 만 km 에서 + 3400 km 정도 지만 이것만으로도 강한 목성의 중력의 힘이 이 작은 위성에 강해졌다 약해졌다 하는 효과를 나타내기에 충분합니다. 즉 목성이 중력이 이오에 만드는 조석력의 차이가 일정하지 않고 변하게 됩니다. 그 결과 이오는 100 m 정도 크기가 작아졌다 커졌다 하는 식으로 힘을 받게 되며 내부 물질들이 마찰에 의해 열이 발생하게 되는 조석열 (tidal heating) 작용을 일으키게 됩니다. 


 이 열은 이오 내부의 방사선 동위원소 붕괴에 의한 열보다 200 배의 해당하는 에너지를 공급하는데 그 에너지의 크기는 0.6 - 1.6 X 1014 W 에 달합니다. 이 열에너지가 이오의 활발할 화산활동에 에너지를 공급하는 것으로 생각되고 있습니다.

(참고: 조석력에 대해서 좀더 알고 싶다면 아래 네이버 캐스트를 참조  


 이오에는 갈릴레오 탐사선 관측에서 최소 100 개 정도 되는 활화산이 발견되었으며 이 중에는 그 물질을 지표에서 500 km 나 분사하는 화산도 있었습니다. 또 일부는 에베레스트 산보다 더 높은 화산도 있습니다. 이오에 거대한 화산이 발생하는 이유는 앞서 말한대로  조석력의 차이에 의한 열에너지 때문이긴 하지만 과학자들은 여전히 몇가지 궁금증을 가지고 있습니다. 


 지금까지 이오 내부의 구성에 대한 추정과 모델링에 따르면 이오의 내부 전체가 아니라 주로는 지각에서 가까운 연약권 (asthenosphere 혹은 약권, 지구에서는 암석권 아래의 층으로 맨틀의 상부의 한층, 깊이 50 - 250 km 정도 층) 에서 발생할 것으로 생각됩니다. 이오의 내부 깊숙한 곳도 조석력의 차이에 의한 변형을 받지만 높은 압력으로 인해 마찰이 발생할 여지는 지각과 연약권에 비해 적을 것으로 판단 되고 있습니다. 


 현재까지의 이해에 의하면 이오는 다른 목성의 얼음 위성과는 달리 물의 분포는 적으며 철이나 황화철로 된 핵 주변에 규산염 (Silicate) 맨틀이 있고 맨 외곽층에는 규산염 지각이 있다고 생각되고 있습니다. 이오가 얼음 화산에서 수증기를 뿜어내는 대신 다양한 황 화합물과 녹은 규산염 위주의 용암을 내뿜는 이유는 그것 때문이라고 생각됩니다. 다만 이오의 맨틀은 완전히 녹은 규산염이 아니라 그 크기와 압력등을 감안했을 때 부분적으로 용융된 상태로 생각됩니다. 



(이오의 내부 추정 모델. 핵은 철이나 황화철 같은 무거운 물질로 되어 있고 (회색) 그 주변으로 부분적으로 용융된 규산염 맨틀이 존재하며 가장 밖에는 규산염 지각이 존재함.   Credit : NASA/JPL ) 

      

 최근 갈릴레오가 보내온 이오의 표면 영상을 정밀하게 통계 분석한 메릴랜드 대학의 크리스토퍼 해밀튼 (Christopher Hamilton of the University of Maryland, College Park ) 과 그 동료들에 의하면 기존의 모델을 적용한 것과 비교해 이오의 표면 화산의 분포가 약 30 - 60 도 이상 동쪽으로 치우친 것으로 생각된다고 합니다. 


(갈릴레오 관측에 의한 이오의 표면 모습   Credit : NASA  ) 


 지금까지의 분석에 의하면 이오 내부는 완전하게 녹은 액체 상태의 맨틀은 없는 것으로 생각해왔습니다. 하지만 이 결과를 설명하기 위해서는 이전 모델을 수정할 필요가 있다고 연구의 주저자인 해밀튼은 분석했습니다. 이를 테면 이오의 내부에 녹은 마그마의 바다가 있고 이오의 자전에 따라 이동한다고 상정할 경우 이와 같은 화산의 분포는 이상할 것은 없습니다. 하지만 진짜 이유는 현재로써는 명확하지 않습니다.  


 아무튼 우주에 매우 흔한 태양계 안에도 매우 다양한 천체와 우리가 알지 못하는 많은 미스테리가 있다는 건 연구하는 사람들에게는 매우 흥미로운 일이겠죠. 이런 걸 보면 우주 어딘가의 행성과 위성에는 우리가 상상도 못할 일들이 발생하고 있는지도 모르겠다는 생각입니다. 


 참고 






Journal Reference:
  1. Christopher W. Hamilton, Ciaran D. Beggan, Susanne Still, Mikael Beuthe, Rosaly M.C. Lopes, David A. Williams, Jani Radebaugh, William Wright. Spatial distribution of volcanoes on Io: Implications for tidal heating and magma ascent. Earth and Planetary Science Letters, 2013; 361: 272 DOI: 10.1016/j.epsl.2012.10.032


   

댓글

이 블로그의 인기 게시물

세상에서 가장 큰 벌

( Wallace's giant bee, the largest known bee species in the world, is four times larger than a European honeybee(Credit: Clay Bolt) ) (Photographer Clay Bolt snaps some of the first-ever shots of Wallace's giant bee in the wild(Credit: Simon Robson)  월리스의 거대 벌 (Wallace’s giant bee)로 알려진 Megachile pluto는 매우 거대한 인도네시아 벌로 세상에서 가장 거대한 말벌과도 경쟁할 수 있는 크기를 지니고 있습니다. 암컷의 경우 몸길이 3.8cm, 날개너비 6.35cm으로 알려진 벌 가운데 가장 거대하지만 수컷의 경우 이보다 작아서 몸길이가 2.3cm 정도입니다. 아무튼 일반 꿀벌의 4배가 넘는 몸길이를 지닌 거대 벌이라고 할 수 있습니다.   메가칠레는 1981년 몇 개의 표본이 발견된 이후 지금까지 추가 발견이 되지 않아 멸종되었다고 보는 과학자들도 있었습니다. 2018년에 eBay에 표본이 나왔지만, 언제 잡힌 것인지는 알 수 없었습니다. 사실 이 벌은 1858년 처음 발견된 이후 1981년에야 다시 발견되었을 만큼 찾기 어려운 희귀종입니다. 그런데 시드니 대학과 국제 야생 동물 보호 협회 (Global Wildlife Conservation)의 연구팀이 오랜 수색 끝에 2019년 인도네시아의 오지에서 메가칠레 암컷을 야생 상태에서 발견하는데 성공했습니다.   메가칠레 암컷은 특이하게도 살아있는 흰개미 둥지가 있는 나무에 둥지를 만들고 살아갑니다. 이들의 거대한 턱은 나무의 수지를 모아 둥지를 짓는데 유리합니다. 하지만 워낙 희귀종이라 이들의 생태에 대해서는 거의 알려진 바가 없습니다.  (동영상)...

몸에 철이 많으면 조기 사망 위험도가 높다?

 철분은 인체에 반드시 필요한 미량 원소입니다. 헤모글로빈에 필수적인 물질이기 때문에 철분 부족은 흔히 빈혈을 부르며 반대로 피를 자꾸 잃는 경우에는 철분 부족 현상이 발생합니다. 하지만 철분 수치가 높다는 것은 반드시 좋은 의미는 아닙니다. 모든 일에는 적당한 수준이 있게 마련이고 철 역시 너무 많으면 여러 가지 질병을 일으킬 수 있습니다. 철 대사에 문제가 생겨 철이 과다하게 축적되는 혈색소증 ( haemochromatosis ) 같은 드문 경우가 아니라도 과도한 철분 섭취나 수혈로 인한 철분 과잉은 건강에 문제를 일으킬 수 있습니다. 하지만 높은 철 농도가 수명에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려지지 않았습니다.   하버드 대학의 이야스 다글라스( Iyas Daghlas )와 임페리얼 칼리지 런던의 데펜더 길 ( Dipender Gill )은 체내 철 함유량에 영향을 미치는 유전적 변이와 수명의 관계를 조사했습니다. 연구팀은 48972명의 유전 정보와 혈중 철분 농도, 그리고 기대 수명의 60/90%에서 생존 확률을 조사했습니다. 그 결과 유전자로 예측한 혈중 철분 농도가 증가할수록 오래 생존할 가능성이 낮은 것으로 나타났습니다. 이것이 유전자 자체 때문인지 아니면 높은 혈중/체내 철 농도 때문인지는 명확하지 않지만, 높은 혈중 철 농도가 꼭 좋은 뜻이 아니라는 것을 시사하는 결과입니다.   연구팀은 이 데이터를 근거로 건강한 사람이 영양제나 종합 비타민제를 통해 과도한 철분을 섭취할 이유는 없다고 주장했습니다. 어쩌면 높은 철 농도가 조기 사망 위험도를 높일지도 모르기 때문입니다. 그러나 임산부나 빈혈 환자 등 진짜 철분이 필요한 사람들까지 철분 섭취를 꺼릴 필요가 없다는 점도 강조했습니다. 연구 내용은 정상보다 높은 혈중 철농도가 오래 유지되는 경우를 가정한 것으로 본래 철분 부족이 있는 사람을 대상으로 한 것이 아니기 때문입니다. 낮은 철분 농도와 빈혈이 건강에 미치는 악영향은 이미 잘 알려져 있기 때문에 철...

사막에서 식물을 재배하는 온실 Ecodome

 지구 기후가 변해가면서 일부 지역에서는 비가 더 많이 내리지만 반대로 비가 적게 내리는 지역도 생기고 있습니다. 일부 아프리카 개도국에서는 이에 더해서 인구 증가로 인해 식량과 물이 모두 크게 부족한 현상이 지속되고 있습니다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 아이디어들이 나오고 있는데, 그 중 하나가 사막 온실입니다.   사막에 온실을 건설한다는 아이디어는 이상해 보이지만, 실제로는 다양한 사막 온실이 식물재배를 위해서 시도되고 있습니다. 사막 온실의 아이디어는 낮과 밤의 일교차가 큰 사막 환경에서 작물을 재배함과 동시에 물이 증발해서 사라지는 것을 막는데 그 중요한 이유가 있습니다.   사막화가 진행 중인 에티오피아의 곤다르 대학( University of Gondar's Faculty of Agriculture )의 연구자들은 사막 온실과 이슬을 모으는 장치를 결합한 독특한 사막 온실을 공개했습니다. 이들은 이를 에코돔( Ecodome )이라고 명명했는데, 아직 프로토타입을 건설한 것은 아니지만 그 컨셉을 공개하고 개발에 착수했다고 합니다.   원리는 간단합니다. 사막에 건설된 온실안에서 작물을 키움니다. 이 작물은 광합성을 하면서 수증기를 밖으로 내보네게 되지만, 온실 때문에 이 수증기를 달아나지 못하고 갖히게 됩니다. 밤이 되면 이 수증기는 다시 응결됩니다. 그리고 동시에 에코돔의 가장 위에 있는 부분이 열리면서 여기로 찬 공기가 들어와 외부 공기에 있는 수증기가 응결되어 에코돔 내부로 들어옵니다. 그렇게 얻은 물은 식수는 물론 식물 재배 모두에 사용 가능합니다.  (에코돔의 컨셉.  출처 : Roots Up)   (동영상)   이 컨셉은 마치 사막 온실과 이슬을 모으는 담수 장치를 합쳐놓은 것이라고 말할 수 있습니다. 물론 실제로도 잘 작동할지는 직접 테스트를 해봐야 알 수...