태양계 - 화성(2)

• 극지방의 극관

  현재 극지방의 극관에 얼음이 있는 것은 확실하지만 그 극관은 주로 드라이아이스로 구성된 것이다. 화성의 자전축은 공전 궤도의 수직인 축에서 25도 기울어져 있으며 그 공전주기는 1.88년이므로 계절적 변화는 지구와 비슷하지만 대략 두 배 더 길다. 따라서 화성의 극관은 여름과 겨울의 계절 변화에 따라서 그 크기가 변화하는 모양을 보여준다. 여름에는 드라이아이스가 녹아서 증발하고 겨울에는 다시 언다. 여름에 남아 있는 작은 극관은 물이 언 것이다.

 

• 화성 자전축의 불규칙한 변동

  화성의 운동이 장기간 안정한가를 조사하기 위하여 수행된 수지 시뮬레이션 결과는 화성의 자전축은 수백만년에 걸쳐 0도에서 60도까지 크게(불규칙하게) 변동하는 것으로 나타났다. 이 변동은 태양 및 다른 행성과 중력 상호작용에 의한 것이다. 화성의 자전축 기울기가 과거에 이와 같이 큰 변동을 겪었다면 극지방의 극관이 여러 차례 완전히 녹았을 때도 있을 것이며(기울기가 클 때) 대기가 완전히 얼어붙었을 때도 있었을 것이다(기울기가 작을 때). 또한 화성의 자전축이 시간에 따라 변한다는 것은 지구와 비슷한 현재의 기울기는 우연의 일치에 지나지 않는다는 것을 의미한다.

  흥미 있는 사실은, 이러한 변동 시뮬레이션에서 일반상대성 이론의 효과를 무시한다면 불규칙적인 거동이 일어나지 않게 된다는 것이다. 시공간의 휨은 화성 궤도 거리에서도 행성의 장기적인 공전 및 자전에 큰 영향을 미치는 것으로 보인다.

  지구는 화성보다 태양에 더 가깝지만 화성이 겪었던 것으로 보이는 커다란 축 기울기의 변동을 겪지 않았다. 지구의 자전축은 상대적으로 큰 달과 강력한 조석 상호 작용을 함으로써 안정되어 있음이 분명하다. 따라서 지구의 기후 변동은 화성보다 훨씬 더 온화했다. 놀랍게도 지구에 달이 있다는 사실이 생명이 진화할 수 있도록 환경을 안정시키는 데 크게 기여하고 있다.

 

• 화성의 희박한 대기

  화성의 대기는 매우 희박하며 분자의 개수 기준으로 95%의 이산화탄소와 2.7%의 질소 분자로 구성되어 있어서 금성의 대기 조성과 매우 흡사하다. 그러나 금성과 달리 화성에서는 온실효과가 현재 화성의 온도에 별 영향을 미치지 못하고 있다. 그 이유는 기체 분자의 숫자가 너무 적어서 적외선을 충분히 흡수할 수 없기 때문이다(금성 지표의 대기압은 90atm으로서 화성 대기압의 13,000배이다). 과거에는 화성의 대기가 훨씬 더 짙어서 지금보다 온실효과가 더 컸을 수도 있다. 그럴 경우, 현재 극관이나 빙하 지역에 얼어 있는 물이 자유롭게 흘렀으며 심지어 비도 내릴 수 있었을 것이다. 대기와 지표에 있던 물은 대기 중에 있는 이산화탄소의 대부분을 흡수하였을 것이며 흡수된 이산화탄소는 탄산염암에 갇히게 되었을 것이다. 그 결과로 온실효과가 사라지고 행성의 온도는 낮아졌으며, 물이 얼어서 지금과 같은 건조한 행성이 되었을 것이다.

  1975년 화성에 도착한 바이킹 착륙 탐사선은 착륙 후에 곧 대기압이 상당히 저하되는 현상을 관측하기 시작하였다. 그 이유는 남반구에 겨울이 시작되어 대기 중의 이산화탄소가 얼어붙기 시작하였기 때문이다. 대기압은 남반구에 봄이 돌아왔을 때 다시 높아지기 시작하였다. 북반구에 겨울이 왔을 때도 동일한 현상이 반복되었다.

 

• 먼지 폭풍

  표면 부근에서 대기의 밀도는 매우 낮지만 때로는 화성 전체를 뒤덮는 먼지 폭풍을 일으키기에 충분하다. 이 계절적인 폭풍은 고속의 바람에 의하여 발생하는 것으로서 지구에서 보는 화성의 모습이 달라지는 원인이다.

  1976년 바이킹호의 탐사 도중에 두 차례의 거대한 먼지 폭풍이 발생하였다. 그 이후, 대부분의 먼지가 대기에서 가라앉으며 그에 따라 기후에 뚜렷한 변화가 있었다(먼지가 태양 빛을 흡수하는 것은 대기 온도 상승의 주원인이 된다). 실제로 허블 우주망원경은 화성의 평균 온도가 낮아지는 것을 관측하였다. 평균 온도가 낮아짐에 따라 낮은 대기층의 얼음 결정 구름이 바이킹호의 관측 때보다 더 증가하였다.

 

• 풍부한 철 성분

  화성 표면의 먼지는 붉은색이며 비교적 철분 함량이 높아서 산소와 접촉하여 철분이 산화된다. 화성은 지구와 달리 자체 중력에 의하여 무거운 물질과 가벼운 물질이 상하로 분리되는 중력 분리 가정을 거치지 않았다는 것이 분명하다. 그 이유는 화성은 크기가 작고 태양에서 거리가 멀어 형성 후 빨리 식은 것이다. 그러나 행성 전체의 평균으로 보면 화성의 철분 함량은 실제로 태양계의 다른 지구형 행성보다 낮은 3933kg/m3이다. 그 이유는 아직 밝혀지지 않았다.

  중력 분리가 충분히 이루어지지 않았다는 추정은 행성에 자기장이 없다는 사실과 일치한다. 만일 철로 된 내핵이 존재한다면 아마 매우 작을 것이며 녹아 있지도 앟았을 것이다.

 

• 과거 지질학적 활동의 증거

  비록 현재는 지질학적으로 활발하지 않더라도 과거에는 활발했던 것이 확실하다. 마리너 계곡은 화성 적도 부근에 여러 계곡이 연결된 길이 3000km 계곡이다. 부분적으로 폭이 600km, 높이 8km에 달하는 마리너 계곡은 내부에 형성된 응력에 의하여 발생한 단층 활동에 의하여 형성된 것이다.

  올림푸스 산은 대략 유타주 크기의 순상화산이다. 이 화산은 그 주변 지역보다 24km의 높이로 뻗어 올라가 거대한 칼데라를 형성하였다. 지질학자들은 지각의 취약한 부분을 뚫고 용암이 표면으로 분출되는 열점 화산 활동으로 올림푸스 산의 거대한 크기가 형성된 것이라 생각하고 있다. 지구에서는 와이 열도가 열점 화산 활동에 의하여 형성된 것이다. 그러나 하와이 열도의 경우 그 하부에 있는 해양판이 새로 형성된 화산들을 열점에서 멀리 이동시켜 다시 새로운 화산이 생기게 하고 있다. 현재 하와이 열도를 포함한 산맥은 실제로 거의 일본까지 뻗어 있다. 그러나 오래된 산들은 이미 심한 침식작용을 거쳤다.

  그러나 올림푸스 산에서는 상황이 달랐다. 화성에서 이동하는 판구조가 없는 것이 분명하므로 이 화산은 그 형성 원인인 열점에서 이동하지 않았다. 그 결과로 용암이 계속 내부에서 분출됨에 따라 화산도 지속적으로 커진 것이다.

 

• 두 개의 작은 위성

  화성의 두 위성은 포보스와 데이모스이다. 이 위성들을 발견한 사람은 1877년 아사프 홀이지만 케플러가 오래전에 그 존재를 예측하였다. 케플러는 오로지 숫자를 기초로 그 존재를 "예측"하였다. 그는 금성에는 위성이 없고 지구에는 한 개가 있으며, 당시 목성에서 네 개의 위성이 발견되었으므로 화성에는 두 개의 위성이 있어야 한다는 결론을 내렸던 것이다!

  홀이 이 위성들을 발견하기 150년 전인 1726년에 조나단 스위프트는 그의 소설 걸리버 여행기에서 천문학자들이 화성의 주위에서 두 개의 위성을 발견하였다고 썼다. 이 공상과학 소설에서 스위프트는 위성의 공전 주기가 각각 10시간 21.5시간이라 하고, "따라서 이들의 주기를 제곱하면 화성 중심에서의 거리의 세제곱에 매우 근사하게 비례하며, 이것은 이 위성에도 다른 천체를 지배하는 중력의 법칙이 적용된다는 증거이다"라고 썼다. 과학자가 아닌 소설가였던 스위프트도 케플러의 법칙과 같은 과학적 발견을 알고 있었던 것 같다. 포보스와 데이모스의 실제 공전 주기는 각각 7시간 39분과 30시간 17분으로서, 스위프트 소설에 등장하는 천문학자들이 말했던 수치와 상당히 일치하고 있다.

  포보스와 데이모스는 크기가 작고 구덩이가 많으며, 기다란 모양의 암석 덩어리이다. 포보스의 최대 길이는 28km에 불과하며 데이모스는 이보다 더 작은 16km이다. 이들은 화성에 붙잡힌 운석인 것으로 생각된다.