화성의 대기

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Mars atmosphere.jpg
화학종 몰분율[1]
이산화탄소 95.32%
질소 2.7%
아르곤 1.6%
산소 0.13%
일산화탄소 0.07%
수증기 0.03%
질소 산화물 0.013%
네온 2.5 μmol/mol
크립톤 300 nmol/mol
포름알데히드 130 nmol/mol
크세논 80 nmol/mol
오존 30 nmol/mol
메탄 10.5 nmol/mol

화성의 대기는 대부분이 이산화탄소로 구성되어 있다. 2005년 화성메탄[2][3] 의 흔적이 발견되어 예전에 생명이 살았냐고 논란이 일으키고 있지만, 화산 활동이나 열수 활동으로도 생겨 날 수 있어 신빙성을 잃고 있다.[4]

화성 표면의 평균 기압은 약 600 Pa (0.087 프사이)으로, 지구 해수면의 기압 101.3 킬로파스칼(14.69 프사이)의 약 0.6%가 되고, 금성의 기압 9.2 메가파스칼(1,130 프사이)의 0.0065% 밖에 안 된다. 이 기압의 범위는 올림푸스 화산의 30 파스칼에서 헬라스 분지의 1155 파스칼까지 크게 구분된다. 규모고도를 화성이 11 km, 지구는 7km라 가정하였을때 화성의 대기의 질량은 25 테라톤(25,000,000,000,000 톤)으로, 지구의 5148 테라톤과 굉장히 비교된다. 기압과 질량이 매우 낮으므로 이 있더라도 기압 때문에 빨리 증발하게 된다.

과학자들은 과거의 화성은 물이 풍부하고 대기도 지금보다 컸으리라고 추측한다. 화성의 대기에 이산화탄소가 95.32%, 질소가 2.7%, 아르곤이 1.6%, 산소가 0.13%, 일산화탄소가 0.07%, 은 0.03%, 질소 산화물이 0.013%이 있고, 기타 등등이 있다.[1][5] 대기에 상당히 먼지가 많아서, 화성의 하늘을 표면에서 바라봤을 때, 색깔이 주황색에서 옅은 갈색이다; 화성 탐사선에 의하면, 떠다니는 먼지가 약 1.5 마이크로미터나 된다.[6]

구조[편집]

지구와 화성의 기압 비교
위치 기압
올림푸스 산 정상 0.03 킬로파스칼 (0.0044 프사이)
화성의 평균 기압 0.6 킬로파스칼 (0.087 프사이)
헬라스 분지 최하 고도 1.16 킬로파스칼 (0.168 프사이)
암스트롱 라인 6.25 킬로파스칼 (0.907 프사이)
에베레스트 산 정상[7] 33.7 킬로파스칼 (4.89 프사이)
지구의 해수면 101.5 킬로파스칼 (14.69 프사이)

화성의 대기층의 구조:

  • 하층 대기: 이 대기층은 화성의 대기권중에 따뜻한 계층으로 공중에 떠다니는 먼지와 지면의 열에 영향을 받는다.
  • 중층 대기: 화성에는 제트 기류가 있고, 그것이 이 대기층에 떠다니고 있다.
  • 상층 대기, 또는 열권: 이 대기층은 태양에 열을 받아 굉장히 온도가 높다. 이 고도에는 대기 가스가 별도로 분리되며, 가스가 일정하게 섞인 낮은 고도의 대기층과는 다르다.
  • 외기권: 약 고도 200km에서부터 시작하며, 점점 대기권이 가늘어지고, 극소량의 대기 가스가 검출되며 또한 이 대기권의 끝이 어딘지는 정확하게 알 수 없다.

대기의 역사[편집]

금성, 화성, 과거와 현재의 지구의 대기의 구성하는 성분을 비교한 사진.

화성의 대기는 화성의 일생 동안 변해왔다는 주장이 정설로 받아들여지고 있으며, 이를 토대로 몇십억 년 전쯤 화성에 넓은 바다가 있었을 것이라는 추측이 제기되었다.[8] 화성 바다 존재설에 의하면, 현재 화성의 대기의 기압이 몰의 삼중점이 될려면 가장 낮은 고도로 들어가야 된다; 더 높은 고도에서는 물이 고체 형태이거나 기체 형태로만 형성되어 있다. 화성 대기의 연간 평균 온도는 -63℃로, 액체 형태의 물이 현존하기에 너무 기온이 낮다. 그러나, 화성 역사의 초기에는 액체 형태의 물이 있을만한 환경이 존재한다고 추정된다.

화성 두께 감소의 원인:

  • 거대한 태양풍으로 대기의 점진적 침식 유발,[9] 화성의 자기장을 비활성화시켜 태양광 열이 그대로 대기에 내려앉으면서 소멸됨;[10]
  • 거대한 운석 충돌로 지면과 대기에 치명적인 영향을 끼쳐 대기를 날려버림.[10]
  • 화성의 약한 중력 때문에 화성의 대기가 우주 밖으로 분산되어 빠져 나감.[11]

화성의 대기의 관측[편집]

1864년에 영국의 아마추어 천문학자인 윌리엄 러터 더즈는 화성의 대기를 "화성의 중심부로 갈수록 빨간색이 짙어지며, 그곳이 대기가 가장 얇은 곳이다."[12] 라고 관측을 발표했다. 1860년대에서 1870년대에 분광기로 인한 관측[13][14] 으로 그 당시 많은 사람이 화성의 대기는 지구의 대기와 비슷했을 거라고 믿었다. 1894년에는 윌리엄 월레스 캠프벨스펙트럼 분석과 다른 질적 관측으로 화성의 대기가 달의 대기처럼 거의 감지할 수 없는 극소량의 대기를 포함했으리라는 내용을 담은 연구를 발표했다.[13]

1926년, 윌리엄 해먼드 라이트가 리크 도날드 하워드 멘젤에게 화성의 대기에 양적 증거를 주었다.[15][16]

대기의 성분[편집]

화성의 주요 기체.

이산화탄소[편집]

화성의 주성분인 이산화탄소는 겨울에는 화성의 극지방이 지속적으로 어둠에 휩싸이고 화성의 표면의 기온이 매우 낮아져 25%의 이산화탄소가 얼어서 고체인 드라이아이스가 된다. 그리고 화성이 여름이 되면 그때 드라이아이스가 증발하여 대기로 다시 돌아간다. 이 과정은 화성의 기압과 화성의 극지방의 대기에도 크게 영향을 끼친다.

아르곤[편집]

화성에서의 아르곤 동위 원소 비율대기 탈출의 증거이다.[17][18]

화성대기태양계의 다른 행성대기보다 아르곤이 상당히 풍부하다. 화성에서 아르곤에 비율은 1.6%로 매우 낮은 것으로 보이지만, 한가지 예외가 있다. 아르곤의 기체 형태는 이산화탄소와 다르게 절대 응결되지 않는다. 따라서, 화성의 대기에 아르곤은 95%를 차지해버리는 이산화탄소가 빠져나가면 아르곤의 함량은 절대적으로 높아진다. 인공위성의 관측을 따르면 극지방에서 아르곤의 양은 가을이 되면 농도가 짙어지다가 겨울에 절정을 이르고 봄이 되면 서서히 낮아진다.[19]

[편집]

화성의 대기를 다른 측면에서 본다면 상당히 특이하다. 화성이 여름이 되면 얼어있던 드라이아이스가 화성의 대기로 승화된다면, 이 과정에서 물의 흔적을 발견할 수 있었다. 여름이되면 화성에는 계절풍이 분다. 이 바람은 시속 400 km(250 mph)을 달리고 엄청난 분량의 흙과 수증기(water vapor)를 운반한다. 여기서 이 수증기는 공중으로 날라가 권운과 지구형-서리를 생성시킨다. 이 좌측 사진은 2004년에 오퍼튜니티호가 찍은 사진으로 얼음-물 구름을 띄고있다.[20] NASA의 과학자들이 2008년 7월 31일부터 게시된 피닉스 화성 작전에서 북극 극지방에서 화성의 표면 밑에서 산소형-얼음을 발견했다. 그들은 이 얼음이 액체였던적은 있는지, 있다면 유기물이 생존할 수 있는지 추가 분석을 하고 있다.

메탄[편집]

화성의 발견된 휘발유성 물질

2003년에 극미량의 메탄(CH4)을 십억분에 몇몇 개(피피비)수준의 양이 한 연구팀에 의해 미국 항공우주국(나사) 고더드 우주 비행 센터에 처음 보고되었다.[3][21] 그 후로 2004년 4월, 마스 익스프레스 탐사선과 화성 지표면 탐사선을 이용한 세 연구팀이 십억분당 10개정도의 메탄이 화성의 대기에 존재한다는 가능성을 제기했다.[22][23][24] 2003년과 2006년에 메탄 관측이 큰 차이를 보이자 메탄이 한 곳에 집중되어 있거나 계절적인 것이라고 추측을 했다.

화성의 메탄이 태양 자외 방사선과 다른 기체와 화학반응이 일어나 빠른 시간에 분해 될 수 있기 때문에, 화성의 대기에서 메탄이 지속적으로 현존한다는 사실에 의해 이 메탄을 지속적으로 보충할 수 있는 근원이 필요하다고 발표되었다. 현재의 광화학 모델로는 이 메탄 농도의 빠른 변동성을 설명 할 수 없다.[25][26] 화성에 대기로 날라오는 운석에 의해서 메탄이 보충된다는 가정이 제기되었으나,[27]임페리얼 칼리지 런던의 연구팀이 메탄의 양이 이 방식으로 다시 보충 되기엔 측정한 결과에 비해 너무 적다라는 발표를 했다.[28]

최근의 한 연구조사는 화성에서 메탄이 붕괴되는데 걸리는 시간이 최대 ~4지구년에서 최소 ~0.6 지구년이라고 발표했다.[29][30] 이같은 수명은 화성의 대기 순환으로 인해 불균형한 메탄 분포를 만들기에 충분히 짧았다. 여하간에, 광화학(자외선 복사) 파괴로 화성의 메탄이 붕괴되기에는(~350년) 메탄의 수명이 너무 짧았다.[29] 이같은 매우 빠른 반감 속도는 광화학 외에 다른 압도적인 방법으로 메탄을 붕괴시킨다는 가정을 제기되었고, 그 방식이 광화학적인 붕괴보다 100에서 600배 더 효율적일 것이다.[30][29] 이 설명 할 수 없는 빠른 파괴 속도는 또 매우 활동적인 보충 근원을 제기하였다.[31][32] 이에 하나의 가능성은 메탄은 전혀 소모 되지 않고, 단지 계절적으로 클라스레이트 화합물에서 증발하고 응결될 뿐이다.[32] 또 하나의 가능성은 메탄이 표면 모래인 쿼츠(SiO2)와 감람석과 함께 화학 반응을 일으켜 공유 Si-CH3 결합을 형성한다이다.[33]

이미지[편집]

2005년 5월에 스피릿 로버구세프 분화구에 찍은 화성의 노을.
1999년 6월 패스파인더아레스 협곡에 찍은 화성의 노을.
2013년 2월 큐리오시티 로버게일 분화구에서 찍은 화성의 노을.

주석[편집]

  1. Robbins, Stuart J.; et al. (2006년 9월 14일). “Elemental composition of Mars' atmosphere”. Case Western Reserve University Department of Astronomy. 2011년 6월 15일에 보존된 문서. 2012년 4월 5일에 확인함. 
  2. Interplanetary Whodunit - Methane on Mars, David Tenenbaum, Astrobiology Magazine, NASA, July 20, 2005. (Note: part one of a four-part series.)
  3. Mumma, M. J.; Novak, R. E.; DiSanti, M. A.; Bonev, B. P., "A Sensitive Search for Methane on Mars" (abstract only). American Astronomical Society, DPS meeting #35, #14.18.
  4. Making Sense of Mars Methane (June 2008)
  5. Seiff, A. and Kirk, D. (1977). "Structure of the atmosphere of Mars in summer at mid-latitudes" (abstract only). Journal of Geophysical Research, 82(28):4364–4378.
  6. Lemmon et al., "Atmospheric Imaging Results from the Mars Exploration Rovers: Spirit and Opportunity"
  7. John B. West - Barometric pressures on Mt. Everest: new data and physiological significance (1998)
  8. {[웹 인용|제목=Gamma-Ray Evidence Suggests Ancient Mars Had Massive Oceans|work=Science Daily|publisher=University of Arizona|url=http://www.sciencedaily.com/releases/2008/11/081117212321.htm%7Caccessdate= 2009년 10월 31일| archiveurl= http://web.archive.org/web/20091214163653/http://www.sciencedaily.com/releases/2008/11/081117212321.htm%7C archivedate= 2009년 12월 14일 | deadurl= no}
  9. “The Solar Wind at Mars”. 《Science @ NASA》. NASA. 2009년 10월 31일에 확인함. 
  10. “Solar Wind Rips Up Martian Atmosphere”. 《NASA Headlines》. NASA. 2009년 10월 31일에 확인함. 
  11. http://astronomynotes.com/solarsys/s10.htm
  12. Dawes, W.R. (1865). “Physical Observations of Mars Near the Opposition in 1864”. 《Astronomical Register》. 
  13. Campbell, W.W. (1894). “Concerning an Atmosphere on Mars”. 《Publications of the Astronomical Society of the Pacific》. 
  14. Janssen, Huggins, Secchi, Vogel, and Maunder
  15. Wright, W. H. (1925). “Photographs of Mars made with light of different colors”. 《Lick Observatory bulletin》. 
  16. Menzel, D. H. (1926). “The Atmosphere of Mars”. 《Astrophysical Journal》. .
  17. Webster, Guy (8 April 2013). “Remaining Martian Atmosphere Still Dynamic”. 《NASA. 9 April 2013에 확인함. 
  18. Wall, Mike (8 April 2013). “Most of Mars' Atmosphere Is Lost in Space”. 《Space.com. 9 April 2013에 확인함. 
  19. Francois Forgot. “Alien Weather at the Poles of Mars”. Science. 2007년 2월 25일에 확인함. 
  20. Clouds – December 13, 2004 NASA Press release. URL accessed March 17, 2006.
  21. Naeye, Robert (28 September 2004). “Mars Methane Boosts Chances for Life”. 《Sky & Telescope. 20 December 2014에 확인함. 
  22. Krasnopolskya, V. A.; Maillard, J. P.; Owen, T. C. (2004). “Detection of methane in the Martian atmosphere: evidence for life?”. 《Icarus》 172 (2): 537–547. Bibcode:2004Icar..172..537K. doi:10.1016/j.icarus.2004.07.004. 
  23. Formisano, V.; Atreya, S.; Encrenaz, T.; Ignatiev, N.; Giuranna, M. (2004). “Detection of Methane in the Atmosphere of Mars”. 《Science》 306 (5702): 1758–1761. Bibcode:2004Sci...306.1758F. doi:10.1126/science.1101732. PMID 15514118. 
  24. ESA Press release. “Mars Express confirms methane in the Martian atmosphere”. ESA. 24 February 2006에 보존된 문서. 17 March 2006에 확인함. 
  25. Urquhart, James (5 August 2009). “Martian methane breaks the rules”. Royal Society of Chemistry. 20 December 2014에 확인함. 
  26. Burns, Judith (5 August 2009). “Martian methane mystery deepens”. 《BBC News》. 20 December 2014에 확인함. 
  27. Keppler, Frank; Vigano, Ivan; MacLeod, Andy; Ott, Ulrich; Früchtl, Marion; Röckmann, Thomas (Jun 2012). “Ultraviolet-radiation-induced methane emissions from meteorites and the Martian atmosphere”. 《Nature》 486 (7401): 93–6. doi:10.1038/nature11203. PMID 22678286. 8 June 2012에 확인함. Published online 30 May 2012 
  28. Court, Richard; Sephton, Mark (8 December 2009). “Life on Mars theory boosted by new methane study”. 《Imperial College London》. 9 December 2009에 확인함. 
  29. Mumma, Michael J.; et al. (10 February 2009). “Strong Release of Methane on Mars in Northern Summer 2003”. 《Science》 323 (5917): pp. 1041–1045. Bibcode:2009Sci...323.1041M. doi:10.1126/science.1165243. PMID 19150811. 
  30. Franck, Lefèvre; Forget, François (6 August 2009). “Observed variations of methane on Mars unexplained by known atmospheric chemistry and physics”. 《Nature》 460 (7256): 720–723. Bibcode:2009Natur.460..720L. doi:10.1038/nature08228. PMID 19661912. 23 October 2009에 확인함. 
  31. Burns, Judith (5 August 2009). “Martian methane mystery deepens”. 《BBC News》. 6 August 2009에 보존된 문서. 7 August 2009에 확인함. 
  32. Zahnle, Kevin; Freedman, Richard; Catling, David (2010). “Is there Methane on Mars? – 41st Lunar and Planetary Science Conference”. 26 July 2010에 확인함. 
  33. Jensen, Svend J. Knak; Skibsted, Jørgen; Jakobsen, Hans J.; Kate, Inge L. ten; Gunnlaugsson, Haraldur P.; Merrison, Jonathan P.; Finster, Kai; Bak, Ebbe; Iversen, Jens J.; Kondrup, Jens C.; Nørnberg, Per (2014). “A sink for methane on Mars? The answer is blowing in the wind”. 《Icarus》 236: 24–27. Bibcode:2014Icar..236...24K. doi:10.1016/j.icarus.2014.03.036. 2014년 5월 1일에 확인함. 

바깥 고리[편집]