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이웃집과학자

초록빛 화성

By 이웃집과학자

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사진 속 행성은 어디일까요? 에메랄드 빛의 대기를 가진 외계행성일까요? 

에메랄드 빛 대기를 가진 이곳은 어디일까요?

출처ESA

이 사진은 유럽우주국(ESA)의 화성 궤도 탐사선인 TGO(Trace Gas Orbiter)이 촬영한 화성의 모습입니다. 화성의 희미한 대기는 에메랄드 빛을 내고 있는데요. 지구 이외의 행성에서 처음으로 발견된 것이라고 합니다.


화성 대기, 왜 저래?!

지구의 극지방에서는 하늘이 형형색색 물드는 광경을 볼 수 있는데요. 바로 오로라입니다. 극광(polar auroras)이라고 불리기도 하는 이 현상은 지구 밖에서 입사하는 대전된 입자가 지구 대기권 상층부의 기체와 마찰해 빛을 내는 현상인데요. 태양풍을 따라 지구 근처에 왔다가 지구 자기장에 이끌려 대기로 진입하게 됩니다. 그래서 주로 고위도나 극지방에 가까울수록 오로라 현상이 잘 관측됩니다. 형형색색의 빛은 대기를 이루고 있는 분자에 따라 그 색이 달라지는데요. 산소 원자가 방출하는 빛은 녹색을 띱니다.


오렌지색 행성?

출처NASA

오로라는 행성의 대기가 빛을 내는 한 가지 방법일 뿐인데요. 위 사진은 지난 2018년 국제우주정거장(ISS)에서 우연히 찍힌 사진입니다. 지구를 둘러싸고 있는 오렌지색 담요의 정체는 바로 대기광(Airglow)입니다. 대기광(Airglow)은 대기 중의 분자나 원자가 태양에서 오는 자외선과 화학적으로 반응하며 나타나는 현상입니다. 이 반응으로 대기 안의 원자들은 서로 부딪히며 전자에너지를 방출하는데요. 위 사진 속에서처럼 아름다운 빛을 내뿜게 됩니다.


아름다운 오로라.

출처ESA/D. Necchi (www.davnec.eu)

대기광의 모습은 오로라와 비슷해 보이기도 하는데요. 오로라와 대기광은 다른 현상입니다. 오로라는 앞서 설명드린 것처럼 지구 밖에서 입사하는 대전입자가 지구 대기권 상층부의 기체와 마찰해 빛을 내는 현상인데요. 반면, 대기광(Airglow)은 화학적 발광이기 때문에 강도도 약하고 스펙트럼의 종류도 더 적다고 합니다. 또한 대기광(Airglow)은 오로라와 달리, 전세계에 어느 곳에서나 볼 수 있다고 합니다.


ESA에 따르면 사실 지구와 화성을 포함한 행성 대기에서는 태양에서 오는 빛으로 밤낮없이 빛난다고 하는데요. 다만, 낮과 밤에 빛을 내는 매커니즘이 다르다고 합니다. 밤에 빛나는 대기는 쪼개진 분자가 재결합하면서 발생하는데요. 반면에 낮에는 태양 빛이 질소와 산소 같은 원자와 분자와 충돌하며 직접적으로 입자를 들뜨게 만들며 빛을 내게 만듭니다. 

ISS에서 포착된 지구의 대기광(Airglow).

출처NASA

지구에서는 밤에 초록색 빛을 띠는 대기는 꽤 희미하고 국제우주정거장(ISS)에 탑승한 우주비행사들이 찍은 멋진 이미지들에서 보여지듯이, 가장자리에서 봤을 때 가장 잘 보입니다. 이 희미한 빛은 다른 행성들 주변에서는 잘 포착되지 않았었는데요. 밝은 행성 표면이 희미한 녹색 빛의 대기를 볼 수 없게 만들기 때문입니다. 

화성 궤도에서 건진 성과

화성 대기에서의 녹색 빛은 2016년 10월부터 화성 궤도를 돌고있는 TGO가 화성에서 최초로 발견했습니다. 이번 발견은 에 게재됐는데요. 이 연구의 주요저자인 벨기에 리에쥬대학교(Université de Liège)의 Jean-Claude Gérard은 "지구에서 볼 수 있는 가장 선명한 빛의 발산 중 하나는 야광(night glow)이다"며 "좀 더 구체적으로 말하자면, 다른 행성에서는 볼 수 없었던 특정한 파장의 빛을 내뿜는 산소 원자들 때문에 발생한다"고 설명합니다. 이어 "하지만 이러한 현상은 지난 40년 간 화성에도 존재할 것이라고 예측돼 왔고 TGO 덕분에 우리는 이를 발견할 수 있었다"고 전했습니다. 

화성에서 주간 대기광(dayglow)동안 관측된 녹색 빛. 산소때문에 발생.

출처J.-C. Gérard et al. (2020)

Jean-Claude와 동료들은 TGO의 특별관찰모드를 사용해 이 모습을 포착할 수 있었는데요. NOMAD(Nadir and Occultation for Mars Discovery)로 알려진 기기와 자외선 및 가시광선 분광계(UVIS)를 포함하고 있었습니다. 이번 연구의 공동저자이자 벨기에 왕립우주항공연구소 연구원인 Ann Carine Vandaele는 "기존 관측 결과에서는 화성에서 어떠한 녹색 빛도 포착하지 못했다"며 "그래서 우리는 ISS에서 포착해낸 지구의 이미지와 유사하게 UVIS의 방향을 바꿔 화성을 가장자리에서 볼 수 있도록 했다"고 전했습니다.


고도에 따른 산소 발산 정도.

출처J.-C. Gérard et al. (2020)

2019년 4월 24일과 12월 1일 사이, 연구진은 NOMAD-UVIS를 사용해 화성 표면으로부터 20~400km에 이르는 고도를 궤도별로 두번씩 스캔했습니다. 그리고 이 데이터 세트를 분석했는데요. 이때 연구진은 녹색 빛을 내는 산소가 방출된 사실을 발견했습니다. 연구진에 따르면 약 80km고도에서 가장 강력했다고 하는데요. 화성과 태양의 변화하는 거리에 따라 달라졌다고합니다. 아름다운 대기광은 과학자들에게 대기의 구성과 역동성에 대한 풍부한 정보를 제공해준다고 하는데요. 태양과 태양풍에 의해 에너지가 어떻게 축적되는지 알 수 있다고 해요. 즉, 태양으로부터 뿜어져 나오는 하전된 입자의 흐름을 밝혀낼 수 있다고 합니다.


화성 대기연구 왜 중요할까

연구진은 화성의 이 에매랄드 색의 빛을 더 잘 이해하기 위해 그리고 지구에서 보는 것과 비교해보기 위해 어떻게 화성에서 이러한 빛이 만들어졌는지 연구했는데요. Jean-Claude은 "우리는 이 빛의 발산에 대한 모델링을 실시했고 이산화탄소를 이루고 있는 일산화탄소와 산소로 분해되는 걸 발견했다"며 "그 결과 산소 원자가 가시광선과 자외선에서 모두 빛을 내는걸 보았다"고 설명했습니다. 또한 연구진은 가시광선에서 빛을 내는 것이 자외선과 비교했을 때 16.5배 더 강렬하다는 사실을 밝혀냈습니다. 

Jean-Claude는 "화성 관측에서 이전의 이론적인 모델들에 대해서는 동의하지만 가시광선에서의 방출이 훨씬 약한 지구 주변에서 포착한 빛과는 다르다"며 "이는 우리가 원자 및 양자물리학에 대한 이해에 매우 중요한 산소 원자가 어떻게 작용하는지 더 많이 배울 필요가 있다는 점을 시사한다"고 밝혔습니다. 

이러한 이해는 오로라와 같이 행성 대기에서 발생하는 현상들을 특징짓는 데 중요합니다. 과학자들은 화성 대기에서 발생한 녹색 빛의 층 구조와 거동을 해독하면서 아직 미개척지였던 고도 범위에 대한 통찰력을 얻을 수도 있습니다. 또, 태양의 활동이 다양해지면서 화성이 태양을 공전하며 어떻게 변화하는지 관찰할 수 있습니다. 

큐리오시티호가 본 화성의 하늘.

출처NASA/JPL-Caltech

화성 대기의 특성을 이해하는 건 과학적으로 흥미로울 뿐만 아니라 우리가 화성에서 미션을 수행할 때 중요한 열쇠가 될 수 있습니다. 예를 들어 대기의 밀도는 궤도를 선회하는 위성이 수행하는 실험에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 화성 표면에 낙하하는 탐사선의 낙하산에도 직접적인 영향을 미칩니다.  

##참고자료##

  • Gérard, Jean-Claude, et al. "Detection of green line emission in the dayside atmosphere of Mars from NOMAD-TGO observations." Nature Astronomy. 


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