(These images of Titan were taken by NASA’s James Webb Space Telescope on July 11, 2023 (top row) and the ground-based W.M. Keck Observatories on July 14, 2023 (bottom row). They show methane clouds (denoted by the white arrows) appearing at different altitudes in Titan’s northern hemisphere. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, W. M. Keck Observatory.)
(This four-panel infographic demonstrates a key chemical process believed to occur in the atmosphere of Saturn’s moon Titan. 1) Titan has a thick, nitrogen (N2) atmosphere that also contains methane (CH4). 2) Molecules known as methyl radicals (CH3) form when methane is broken apart by sunlight or energetic electrons from Saturn’s magnetosphere. 3) It then recombines with other molecules or with itself to make substances like ethane (C2H6). 4) Methane, ethane and other molecules condense and rain out of the atmosphere, forming lakes and seas on Titan’s surface. NASA’s James Webb Space Telescope detected the methyl radical on Titan for the first time, providing a key missing piece for our understanding of Titan’s chemical processes.Credit: NASA, ESA, CSA, Elizabeth Wheatley (STScI))
토성의 위성 타이탄은 태양계 위성 가운데 보기 드물게 두꺼운 대기와 액체 상태의 표면을 지닌 천체입니다. 타이탄의 메탄과 에탄 호수는 지구의 바다처럼 크지는 않지만, 모두 합치면 오대호와 맞먹는 큰 면적으로 앞으로 태양계 탐사의 주요 목표 중 하나입니다. 나사는 타이탄 탐사를 위해 표면 탐사선인 드래곤 플라이를 준비 중에 있습니다.
하지만 탐사선을 직접 보내기 전에도 타이탄에 대한 연구는 활발히 진행되고 있습니다. 나사 고다드 우주 비행 센터의 과학자인 코너 닉슨 (Conor Nixon, research scientist with NASA Goddard Space Flight Center)이 이끄는 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경과 켁 망원경을 이용해 2022년부터 2023년 사이 서로 다른 파장에서 타이탄의 구름을 연구했습니다.
이번 연구에서 밝혀진 새로운 사실은 타이탄의 구름이 지구의 구름 처럼 아래 위로 순환하는 대류 운동을 보인다는 점입니다. 지구의 대기는 온도 차이에 의해 저위도에서 고위도로 이동하는 데 타이탄의 구름 역시 북쪽으로 이동하는 대류 운동을 보이는 것으로 나타났습니다. 더욱 흥미로운 사실은 이런 구름의 이동이 타이탄의 호수에 메탄과 에탄을 공급해 증발에 의한 소실을 막는 역할을 한다는 것입니다.
타이탄의 호수는 메탄과 에탄이 주 성분으로 생각되는데, 지구의 호수처럼 일부는 기화해서 계속 사라지게 됩니다. 하지만 구름에서 응결된 메탄과 에탄이 다시 비로 내리면 호수와 강이 채워져서 사라지지 않고 유지되는 것으로 보입니다. 참고로 타이탄의 대류권 (troposphere) 평균 12km 인 지구보다 훨씬 높아서 45km까지 유지됩니다. 타이탄의 낮은 중력 때문입니다. 따라서 태양 에너지에 의해 에탄이나 더 복잡한 탄화수소로 변한 입자들이 아래로 응결되어 호수와 강에 떨어질 것으로 예상됩니다.
그런데 이론적으로 생각하면 메탄에서 만들어진 복잡한 탄화수소는 더 높은 온도에서 기화하기 때문에 시간이 지나면서 호수와 지표에 남는 양이 많아집니다. 결국 메탄이 어디선가 계속 보충되지 않으면 먼 미래에는 타이탄의 대기에서 메탄이 사라지고 현재와는 다른 대기를 지니게 될 것으로 보입니다. 과연 메탄이 모두 사라지게 될지 아니면 지각에서 다시 보충이 되는지는 현재로써는 알 수 없습니다.
앞으로 타이탄의 표면을 자세히 연구할 드래곤 플라이가 이 질문에 대한 답을 알려줄 수 있을지 궁금합니다. 하지만 그 전에 마구잡이로 예산이 삭감된 나사에서 드래곤 플라이 프로젝트가 살아남아야 할 것입니다.
참고
https://phys.org/news/2025-05-astronomers-cloud-convection-titan-lakes.html
Conor A. Nixon et al, The atmosphere of Titan in late northern summer from JWST and Keck observations, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02537-3
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