신비한 과학 - 화성 뒤덮었던 많은 물 찾아라

화성 지각 아래 거대한 바다 존재의 가능성에 대해 찾으로 나선다.

미국 항공우주국(NASA) 등 공동연구팀은 화성 탐사 로버와 궤도선 등이 수집한 각종 자료와 지구에 떨어진 운석 분석 등을 통해 고대 화성의 물 분자가 아직도 지표면 아래의 미네랄 결정 구조에 갇혀있을 것으로 추정했다.

그동안 과학자들은 화성을 뒤덮었던 그 많은 양의 물이 어떻게 사라졌는지에 대한 많은 연구를 진행해온 가운데, 화성의 물에 대한 이번 새로운 연구결과가 주목받고 있다.

화성의 구름이 공개돼 주목받았다.(나사)

많은 양의 화성 물 소실 설명할 수 없는 기존 이론들

미국 항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL)와 캘리포니아공과대학(Caltech)에 따르면 화성의 물이 모두 대기를 통해 사라진 것이 아니며 상당량은 광물에 붙잡혀 있는 것으로 나타났다.

과학자들은 한때 호수와 강이 흘렀던 화성이 지금은 메마른 사막으로 변한 것으로 보고 있다. 이에 그동안 과학자들은 화성을 뒤덮었던 그 많은 양의 물이 어떻게 사라졌는지에 대한 많은 연구를 진행해왔다.

이러한 가운데, 새롭게 공개된 연구 결과에 따르면, 화성에는 여전히 많은 양의 물이 존재하는 것으로 나타났다.

연구팀은 약 40억 년 전 초기 화성이 행성 전체를 100~1천500ｍ 깊이의 바다로 덮을 수 있는, 대서양의 절반에 달하는 양의 물을 보유하고 있으면, 10억 년 만에 화성이 현재와 같은 상태가 된 것으로 추정했다.

지난해 애리조나대학 행성과학 연구팀은 화성이 태양과 근접할 때 대기 온도가 상승하면서 얼음 형태의 물이 대기로 올라가고, 이 현상이 먼지폭풍과 겹치면서 우주로 날아가 버려 화성에 많은 양의 물이 사라졌다는 대기 탈출 이론을 제시했다.

연구팀은 지난 10년간 화성 탐사를 통해 수집한 자료를 분석해 고대 함수광물로 이뤄진 거대한 저수지가 형성되면서 물의 양이 감소했다는 사실을 발견했다.(나사)

문제는 이 연구를 통해 측정된 대기를 통한 물 손실량은 기존에 화성에 있던 많은 양의 물을 설명하기에는 충분하지 않다는 점이다.

이에 연구팀은 화성 탐사 로버와 궤도선 등이 수집한 각종 자료와 지구에 떨어진 운석 분석 등을 통해 액체 상태의 물은 물론 수증기와 얼음 등도 포함한 화성이 가졌던 모든 형태 물의 양 변화와 대기 및 지각의 화학적 구성 등을 분석한 것으로 알려졌다.

특히 연구팀은 수소 대 ‘중(重)수소’의 비율을 주목해 연구를 진행한 것으로 나타났다. 물 분자(H₂O)는 수소(H) 원자 두 개와 산소(O) 원자 하나가 결합해 만들어지지만, 수소라고 다 같지 않다. 대부분은 원자핵에 양성자 1개를 가진 형태지만 극히 일부, 약 0.02% 정도는 양성자 1개에다 중성자 1개를 더 가진 중수소 형태로 존재하는 것으로 알려졌다.

‘경수소’로도 불리는 일반 수소는 중수소보다 가벼워 상층 대기에서 우주로 빠져나가기 쉬우며, 높은 중수소 비율로 물이 대기를 빠져나간 흔적을 남기는 것으로 추정된다. 따라서, 화성의 물이 모두 대기를 통해 우주로 빠져나갔다는 가설은 대기에서 측정된 중수소 비율과 화성이 갖고 있던 많은 양의 물을 설명하지 못하는 것으로 분석됐다.

고대 화성 바다일 가능성이 있는 화성의 모습(나사)

화성 물 30~99% 지각 아래 갇혀있을 듯

이러한 가운데, 연구팀은 대기를 통한 이탈에다 지각의 광물에 잡힌 물까지 합하면 대기의 중수소 비율이 맞을 수 있다고 설명하고 있다.

연구팀은 화성의 대기와 지각의 화학적 구성을 분석해 시간에 따른 화성 물의 양을 정량화하는 모델을 개발했으며, 이에 고대 화성의 물 분자가 아직도 지표면 아래의 미네랄 결정 구조에 갇혀있을 것으로 추정했다.

연구팀은 지난 10년간 화성 탐사를 통해 수집한 자료를 분석해 고대 함수광물로 이뤄진 거대한 저수지가 형성되면서 물의 양이 감소했다는 사실을 발견했다.

물과 암석이 상호작용하면 화학적 풍화 과정이 발생하면서 미네랄 구조 내에 물이 포함된 점토와 같은 물질이 생성되는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 지구에서도 발생하지만, 화산 활동과 같은 지질 순환 과정을 통해 암석에 갇혀있던 물은 다시 대기로 배출되는 것으로 알려졌다.

그러나 화성의 경우, 현재 화산 활동이 거의 없으므로, 모든 물이 지각에 갇혀있을 것으로 추정되고 있는 것이다. 또한, 대부분의 물은 초기에 격리된 후 다시 순환되지 않았을 것으로 관측된다.

연구팀에 따르면, 40억년 전 화성에는 100~1,500m 깊이의 바다가 전체 행성을 덮을 수 있을 만큼 충분한 물이 있었으며, 그 물의 30~99% 가량의 양이 현재 화성 지표면 아래에 미네랄 형태로 갇혀있을 것으로 추정된다.

대기를 통한 이탈이 화성의 물이 사라지는데 일조한 것은 분명하지만, 지난 10년간 화성 탐사를 통해 밝혀진 자료를 토대로 분석하면, 고대 수화 광물이 오랜 시간에 걸쳐 물을 가져가 가둬두고 있다는 사실을 무게가 쏠리고 있는 것으로 보인다.

연구팀은 지난 2월 화성에 도착해 본격적인 탐사 채비를 갖추고 있는 로버 퍼서비어런스의 지각 탐사 결과와 화성 풍화작용 모의실험 등을 통해 화성 표면의 물이 지각으로 사라진 과정을 계속 연구할 계획이다.

이번 연구결과는 지난달 개최된 제52차 달·행성 과학회의(LPSC)에서 발표됐으며, 이에 관한 논문은 과학저널 ‘사이언스’에 게재됐다.

화성에 지구와 같은 구름이 있지만 두 행성의 대기는 같지 않다.(나사)

화성에도 구름이 있다

지구의 어느 지역 하늘을 담은 듯한 구름이 떠다니는 화성의 모습이 최근 공개되며 주목받았다. 미국 노스캐롤라이나 대학 행성과학자인 폴 번 교수는 지난달 흥미로운 영상을 자신의 SNS에 공개했다.

지난달 19일 화성탐사 로보 큐리오시티는 약 7m 높이의 퇴적층 절벽을 앞에 두고 구름이 지나는 모습을 카메라에 담았다. 이 영상은 큐리오시티에 장착된 내비게이션 카메라로 찍은 8장의 이미지를 합쳐 만든 것으로 실제 시간은 약 5분 정도로 파악됐다.

영상만 보면 지구와 구분이 되지 않을 만큼 화성에서 구름이 흘러가는 모습이 매우 흡사하다. 이는 지구와 마찬가지로 화성에도 대기가 있고 수증기가 존재해 구름이 형성될 수 있기 때문이지만, 지구와 같은 구름이 있다고 해도 두 행성의 대기가 같지는 않다.

전문가들은 화성의 대기권 농도는 지구보다 100배 정도 옅으며 주요 구성 성분도 다르다고 설명한다. 지구의 대기권에는 78%의 질소와 21%의 산소, 약간의 이산화탄소 등이 존재하지만, 화성은 이산화탄소가 대부분인 것으로 나타났다. 또한, 화성의 이 구름도 매일 생기는 것이 아니라 가끔 확인할 수 있는 정도인 것으로 알려졌다.

과학자들은 한때 호수와 강이 흘렀던 화성이 지금은 메마른 사막으로 변한 것으로 보고 있다. (노던일리노이대학교)

큐리오시티는 지난 2012년 8월 게일 크레이터 부근에 도착해 현재도 탐사를 이어가고 있다. 그간 큐리오시티는 화성의 지질과 토양을 분석해 메탄 등 유기물 분석자료를 확보하고 미생물이 살만한 조건인지를 조사해 온 것으로 알려졌다. 실제로 큐리오시티는 오래전 화성 땅에 물이 흐른 흔적, 생명체에 필요한 메탄가스와 질산염 증거를 발견하는 큰 성과를 남겼다.　　

현재 큐리오시티의 후임인 퍼서비어런스는 지난 2월 예제로 크레이터에 도착했으며 현재 중요한 임무 수행을 앞두고 있다. 향후 퍼서비어런스는 예제로 크레이터 주변에서 화성 생명체 흔적 찾기를 비롯해 지구로 보낼 화성 암석 샘플을 채취, 새로운 탐사기술 시연 등 다양한 임무를 수행할 예정이다.