이웃집과학자

1. <Geophysical Research Letters>에 게재된 연구에 따르면 과거 물이 풍부하던 화성이 왜 메마르게 됐는지 단서를 찾은 것 같습니다. 연구에 따르면 2년에 한 번씩 화성 대기에는 물이 이동할 수 있는 통로가 생긴다고 하는데요. 그나마도 남아있지 않은 화성의 물이 이 통로를 통해 우주로 방출되고 있다고 합니다. 

과학자들은 화성에서 물이 어떻게 순환하는지, 한때 물이 풍부하던 행성이 왜 지금은 건조하게 변해버렸는지 명확히 알지 못합니다. 그러던 중 화성 대기 상층부에 수증기가 있다는 것을 발견한 건데요. 이 수증기들은 화성의 극지방을 향해 이동하고 있었습니다. 

그런데 화성 대기의 상층부에서 발견된 수증기는 과학자들을 당혹스럽게 했습니다. 왜냐하면 화성 대기의 약 60~90km에 해당하는 중간층에서는 물의 순환이 완전히 차단되는 듯 보였기 때문입니다. 이번 연구에서 저자 역시 논문에 "화성의 중간 대기층은 너무 차갑기 때문에 수증기를 유지시킬 수 없다"고 쓰기도 했습니다. 

그렇다면 수증기는 대체 어떻게 중간 대기층을 뚫고 높은 곳까지 도달하게 되는 걸까요?

화성의 계절 변화는 다음과 같습니다. 지구에서는 북반구와 남반구의 여름이 꽤 비슷합니다. 그러나 화성의 경우 그렇지 않습니다. 남반구의 여름이 훨씬 뜨거운데요. 그 이유는 화성의 궤도 이심률(orbital eccentricity)이 지구에 비해 더 크기 때문입니다. 궤도 이심률은 물체의 궤도가 완벽한 원에서 벗어나 있는 정도를 수치로 나타낸 겁니다. 참고로 태양계에서 화성보다 이심률이 큰 궤도를 가지는 행성은 수성밖에 없다고 합니다. 즉, 화성은 2년에 한 번씩 남반구에 여름이 찾아 올 때마다 태양에 매우 근접하게 되고 이 때문에 북반구의 여름에 비해 남반구의 여름은 훨씬 따뜻하다고 합니다. 

이번 연구에서 연구진은 막스플랑크연구소의 화성 일반 순환모델을 이용해 화성 대기를 시뮬레이션 했다고 하는데요. 시뮬레이션에 따르면 평소 햇빛이 부족해 화성의 물 순환은 거의 완전히 정지해 있었습니다. 그런데 2년에 한 번 남반구의 여름이 찾아올 때 화성의 중간 대기권(고도 60~90km)에는 구멍이 생겼는데요. 이 때 수증기는 중간권을 뚫고 나가 대기 상층부까지 도달할 수 있었습니다. 

화성과 지구 환경의 가장 큰 차이점은 먼지 폭풍이 아닐까 싶은데요. 이번 시뮬레이션 결과, 먼지 폭풍도 화성을 메마르게 한 주된 요인으로 꼽혔습니다. 화성에 거대한 먼지 폭풍은 불시에, 자주 덮쳐 오는데요. 먼지 폭풍은 햇빛을 차단해 화성 표면을 냉각시킵니다. 화성의 표면에 도달하지 못한 햇빛은 대기에 갇혀 오히려 대기를 따뜻하게 만들고 물이 이동하기 더 적합한 조건을 만들어냈습니다.  

화성 전체를 뒤덮는 거대한 먼지폭풍 조건 하에서 작은 얼음 입자들은 먼지 입자들을 중심으로 형성됐습니다. 이 가벼운 얼음 입자들은 물이 다른 형태일 때보다 더 쉽게 대기의 상층부로 떠갈 수 있었는데요. 이 기간 동안 많은 양의 물이 대기의 상층부로 이동합니다. 

연구원들은 먼지 폭풍이 심지어 남반구가 여름일 때보다 오히려 더 많은 양의 물을 대기 상층부로 이동시킬 수 있다고 밝혔는데요. 시뮬레이션에 따르면 일단 물이 중간 대기를 통과하고 나면 두 가지의 고유한 대기 프로세스에 따라 이동한다고 합니다. 일부 물은 남반구와 북반구의 극지방으로 서서히 이동해 쌓이는 반면 대기의 상층부로 이동한 물은 자외선에 의해 물 분자가 쪼개질 수 있다고 합니다. 그 결과 가벼운 수소 원자는 우주에 방출되고 산소는 대기 중에 축적될 수 있다고 합니다. 

이번 연구 결과는 한때 지구처럼 물이 풍부했던 화성이 현재 왜 그렇게 건조해졌는지에 대한 비밀을 일부 밝혀줄 것으로 기대됩니다.

##참고자료##

•  Shaposhnikov, Dmitry S., et al. "Seasonal Water “Pump” in the Atmosphere of Mars: Vertical Transport to the Thermosphere." Geophysical Research Letters (2019).