화성에 대하여

화성(火星, Mars)은 태양계의 4번째 행성이다. 산화철로 인한 붉은 빛이 감도는 사막 지형이 형성되어 있다. 이러한 이유로 영미권에서는 '붉은 행성(Red Planet)'이라는 이명으로도 부른다. 지구를 제외한 태양계 내 모든 행성 중 표면 탐사가 가장 많이 이루어진 행성이며, 물의 존재가 확인되고 테라포밍의 가능성이 보이는 등 우주 개발에서 중요한 역할을 맡게 될 것으로 여겨지는 천체이다. 화성 표면에 생명체의 존재 가능성이 과거부터 논의되고는 있으나 아직까지 화성에서 생명체는 발견되지 않았다. 애초에 표면온도도 평균 수치가 지구의 남극 수준으로 낮은 데다가 대기도 희박하고 태양풍을 막아주는 행성의 자기장도 약해서 고등 생명체가 살기에는 여전히 혹독한 환경이고, 생명체가 만약 존재한다고 쳐도 미생물 정도일 것이다. 화성의 자전주기는 약 24시간 37분으로 24시간인 지구와 비슷하며, 공전주기는 약 687일[6]로, 지구보다 약 1.88배 길다. 남극과 북극에는 극관이라는 거대한 드라이아이스 덩어리가 있으며, 이는 여름에는 작아지고 겨울에는 커진다. 지구에서 관측할 수 있는 천체 중 달과 금성, 그리고 목성 다음으로 밝다. 그런데 충에 위치한 경우 목성보다 겉보기 등급이 미세하게 더 낮다. 표면에 붉게 보이는 이유는 수십억 년 전 물이 풍부할 당시 만들어진 산화철 광물 '페리하이드라이트(Ferrihydrite)' 때문이라는 연구 결과가 나왔다. # 낮은 겉보기 등급에도 불구하고, 지구에서 육안으로 관측하기는 어렵지 않은데 밤하늘에서 유독 주황빛을 띠어 다른 천체와는 특징적으로 구분되기 때문이다. 베텔게우스와 같이 지구 대기 안에서 붉으면 그저 붉게 보이는 별이 있지 화성과 같이 아주 밝게 빛나는 주황색 별은 상당히 흔치 않기 때문이다. 대기권은 이산화 탄소와 소량의 질소와 아르곤, 그리고 극미량의 산소로 구성되어 있다. 의외로 화성 대기에서 산소의 비율은 지구 대기의 이산화 탄소 비율보다 높으나, 화성 지표의 기압이 0.0063기압밖에 되지 않는 관계로 생명체가 호흡하기에는 부적합하다. 0.0063기압은 지구상에서 해발 80 km[7] 정도의 고도에 해당되는 기압으로, 거의 진공 상태나 다름없는 정도라 공기가 존재한다고는 거의 볼 수 없는 정도다. 공기가 거의 없기 때문에 평균 온도는 -63 ℃로 낮고, 너무 낮은 기압으로 인해 물이 끓는 온도가 27 ℃[8]밖에 되질 않아 물로 구성된 생명체가 살 수 없는 환경이다. 상대적으로 대기가 짙은 금성이나 지구와 달리 옅은 대기 덕분에 관측 시 지형이 훤히 보인다. 화성에 대기가 희박해진 이유는 태생적으로 작은 질량으로 인해 중력이 약해[9] 산소와 같이 분자량이 작은 기체를 많이 잡아둘 수 없음과 동시에 화성의 핵이 지질학적으로 식어버린 상태라 행성 자기장이 지구 자기장의 1/800에 불과하기 때문이다. 이렇게 약한 자기장으로는 태양풍으로부터 행성을 보호할 수가 없어 태양풍으로 인해 화성의 대기가 거의 다 날아가 버려 화성에는 공기가 거의 존재하지 않는 상태가 되었다. 행성의 자기장은 대개 행성 핵에 존재하는 철이 행성의 자전에 의해 회전하면서 생긴다. 화성의 자전 속도 자체는 지구와 거의 같지만, 그 자기장은 자전 속도가 약 58일인 수성이나 약 243일에 불과한 금성만큼이나 미약하다. 이는 화성 핵에 존재하는 철의 양이 상당히 적다는 증거로 볼 수도 있다. 화성 탐사선의 고지자기 연구에 따르면 약 4억 년 전까지는 화성에도 약한 행성 자기장이 있었다고 한다. 즉 이 당시에도 화성 핵에 활동하는 철이 있기는 했지만 강력한 자기장을 형성할 수 있는 수준의 액체 상태는 아니었던 것이다. 화성의 핵은 반지름이 1,810 ~ 1,860 km 수준인데, 이는 지구 핵의 절반 크기이다. 화성의 지름이 지구 지름의 절반 정도인 점을 감안하면 핵의 비율은 서로 비슷한 셈이다. 다만 화성은 지구보다 밀도가 낮은 행성이기 때문에 핵에 가벼운 물질이 많이 포함되어 있는, 다시 말해 철과 같은 무거운 물질이 적은 것으로 추측되고 있다. # 쾰른 대학교의 브리기테 크나프마이어-엔드룬 박사[10]가 이끄는 연구팀은 지진파의 이동 속도를 통해 화성의 지각이 몇 개의 층으로 구성되어 있다는 사실을 확인했다. 가장 상부 층은 지표에서 8(±2) km 깊이에 있으며, 20(±5) km 깊이까지 2번째 층이 있었다는 연구 결과를 발표했다. # 인사이트 탐사선이 조사한 200 ｍ까지의 지층 구조를 분석한 결과 엘리시움 평원이 표면에서 3 ｍ까지 모래가 주성분인 레골리스로 덮여있고, 그 아래로는 15 ｍ에 걸쳐 굵은 덩어리들이 쌓여 있다. 이 지층은 운석 충돌로 하늘로 분출됐다가 다시 가라앉은 돌덩어리가 형성한 것으로 분석됐다. 그 밑으로는 약 150 ｍ 걸쳐 용암이 흐르다 식어 굳어진 현무암 층이 형성돼 있고, 30~40 ｍ에 걸친 퇴적암층으로 이어지는 것으로 나타났다. # 인사이트(InSight)가 수집한 자료를 통해 화성의 자전 속도가 빨라졌고, 이에 따라 화성의 하루 길이가 연간 수 분의 1 밀리초(1천분의 1초)씩 짧아지고 있는 것으로 파악됐다. # 화성도 지구와 비슷한 약 45억 6,000만 년 전에 발생하여 표면이 100 % 물로 덮여 있는 바다 행성 형태였고, 바닷물 밑 바닥에는 반 용융된 용암 바다의 형태의 시기를 누렸다. 다만 화성은 질량이 작고 밀도가 낮아 방사성 동위 원소들의 양도 지구에 비해 월등히 적다. 따라서 지각이 형성된 직후에는 상당량의 수증기가 방출되어 대기에 존재했었다. # 이때, 지구처럼 다른 원시 행성과 충돌했다. # 45억 3,000만 년 전에 바다 밑바닥에 단단한 지각이 형성되었으며 44억 6,000만 년 전에는 맨틀 분화가 완성되었다.[11] 45억 년 전부터 43억 5,000만 년 전까지는 온실 화성 시대인데, 이는 표면 온도가 영상을 유지했기 때문이다. 44억 년 전 화성에는 물이 풍부했었고, 사마륨-146, 플루토늄-244와 같은 방사성 동위 원소들 덕분에 중심의 온도가 충분히 뜨거워 현 지구의 80 %[12]에 해당하는 강력한 자기장이 형성되었고 충분히 대기도 보호할 수 있었다. 이때 화성의 대기압은 현 지구의 1.6배였지만, 대부분 온실기체였므로 평균 표면은 25 ℃로 액체 상태의 물이 존재하였다.[13] 또한 질량이 작아 내부 열이 낮았고 지각이 일찍 두꺼워져 지구에 비해 더 이른 시기에 대륙이 형성되었다. 44억 년 전 화성에도 최초의 대륙이 형성되었으며 대륙의 지하에서는 온천수가 쏟아져 나왔고, 화산 활동도 활발하여 화산 군도도 매우 많이 있었다. 또한 거대한 산맥들도 많이 형성되어 현 시대 지구의 사막 지대 표면과 유사한 풍경이었다. 다만 당시 화성은 대기가 풍부하였으므로 침식 활동으로 인해 이 시기의 흔적은 거의 없으며[14] 지하의 대규모 얼음층으로 인해 추정 가능하다. 43억 5,000만 년 전부터는 표면온도가 영하로 내려가며 빙하 시대가 시작되었는데,[15] 이때부터 지구의 빙하기와 같은 풍경이 펼쳐졌다. 이는 45억 년 전부터 대기압이 꾸준히 줄어들었기 때문이다. 43억 년 전에는 물의 순환으로 일부 산소와 이산화 탄소와 철 등의 화학 반응으로 대기는 꾸준히 줄어 대기압은 현 지구의 0.7기압으로 줄었다. 대기가 우주로 빠져나간 것이 아닌 행성 표면의 자체 순환으로 안정적인 적정 대기압으로 줄어든 것이다. 이때까지는 화성의 자기장이 안정적이라 대기가 우주로 빠져나가지 않았다. 다만 대기압이 낮아짐으로 표면 온도도 낮아져 평균 표면 온도는 43억 년 전 이후로 -15 ℃ ~ -20 ℃를 왔다 갔다 할 수준으로 낮아졌고, 이 시기 화성은 눈이 내리고 얼음이 어는 시기가 되었다. 42억 8천만 년 전 태양의 광도는 현재의 72.7 %에 불과했다. 이때부터 화성의 중, 고위도 지역은 거대한 얼음이 형성되고 저위도 지역도 영향을 주어 눈이 쌓이는 눈덩이 지구와 같은 현상이 발생하였다. 또한 상대적으로 따뜻한 저위도 지역은 여름에 영상으로 올라가고[16] 물안개도 자욱이 발생했다. 중위도 지역에 쌓인 엄청난 크기의 빙하가 흘러 내려와 녹아서 강이나 호수를 형성하기도 하였다. 42억 년 전부터 자기장의 힘이 약화되기 시작하였다. 내부의 열을 담당하던 플루토늄-244가 핵붕괴에 따른 감소로 제 힘을 발휘하지 못하기 시작했기 때문이다.[17] 41억 년 전부터 39억 년 전까지는 극도의 변화 시대라고 한다. 이 시기까지도 자기장의 힘이 유지되어 대기가 소실되지는 않았지만 40억 년 전 지름 1,000 km의 소행성이 화성을 강타하여 북반구의 상당 부분의 지대가 남반구보다 평균 4.9 km나 낮아졌다. 또한 이때 소행성의 힘으로 인해 짧은 기간이지만 수천 년간 영상의 온도를 회복한다. 하지만 42억 년 전에 플루토늄-244의 힘이 급격히 약화되고 우라늄과 포타슘-40이 지배적인 시대가 되자 화성 내부는 불안정해지고 열의 생산이 약화되었다. 지구는 질량이 커서 자체 질량으로 인해 스스로 생산되는 열과 방사성 동위체로 인한 생성된 열이 합쳐져 여전히 뜨거운 내부 열을 유지했지만[18] 화성은 질량이 작아 자체 질량으로 인해 스스로 생산되는 열의 위력이 약하므로 내부의 방사성 동위체들의 고갈은 치명적이다. 그래도 초기(41억 년 전~39억 년 전) 때에는 자기장이 약화되기 시작했어도 어느 정도 강도는 있었기에 대기를 잃지는 않았다.[19] 39억 년 전부터 35억 년 전까지는[20] 급격한 자기장 약화 시대다. 후기 대충돌로 인해 소행성이 충돌한 지역에는 일시적으로 기온이 올라가고 빙하가 녹아 호수를 형성하고 바다에서는 해일을 일으키는 시대였다. 또한 불안정한 지질 활동으로 인한 대지진으로 바다에서 거대한 파도가 육지를 강타하기도 하였다. 또한 39억 년 전 화성의 자기장은 지구의 15%까지 줄어들었고 매우 천천히 대기를 잃기 시작했다. 37억 년 전의 화성의 자기장은 지구의 5% 이하로 줄었고, 이때부터 대기는 화성 밖으로 급격히 빠져나가기 시작하였다. 결국 화성은 건조해지고 35억 년 전부터 32억 년 전까지[21] 건조화성 시대가 시작된다. 35억 년 전 화성의 표면 온도는 -50 ℃까지 내려가고 대기는 0.2기압까지 줄었으며 자기장의 위력은 지구의 0.3 %까지 줄어들었다. 이로 인해 32억 년 전의 대기압은 0.04기압 이하로 내려갔는데 이때부터는 더 이상 액체 상태의 물이 존재할 수 없게 되었다. 이 시기 얼음층은 모래에 파묻혀 지하의 얼음층을 형성하게 되어 땅속 수백 m ~ 수 km 깊이 아래로 파묻히고, 액체 상태의 물은 증발하여 구름을 형성하다가 태양풍에 의해 빠져나갔다. 침식 활동도 현재와 비슷한 수준으로 약해져 이 시기의 화성 표면의 일부 풍경이 지금까지 보존되어 있는 곳도 존재하기도 한다. 약 34억 년 전 초대형 쓰나미를 일으켰을 수 있는 소행성 충돌구가 발생했다. # 이 시기에 형성된 지하의 얼음 층에 존재하는 물의 양은 매우 많으며 현재까지 보존되어 있다. 현재 화성의 표면의 얼음물은 남극의 2배이고, 내부 화성의 물을 합치면 북극해만큼의 어마어마한 양이 있다. 지하에 얼음 상태와 맨틀 상중부에 흩어져 있어 희소하게 느껴질 것이다. 32억 년 전부터 18억 년 전까지는 극단적 지질활동시대라고 한다.[22] 32억 년 전부터 10억 년 전까지는 지질 활동이 많이 일어났다. 이때는 내부에 지질 활동이 일어나지 않아 열이 많이 쌓였고 이 쌓인 열로 인한 불안정한 금성식 지질 활동으로 인한 올림푸스 화산이 생성되었다. 당시 올림푸스 화산은 꾸준히 커져 22억 년 전에는 높이 35 km까지 커졌다. 지금은 침식으로 많이 줄어든 상태. 다만 질량이 작기 때문에 금성처럼 지각이 통째로 녹지는 않고 비정상적인 거대 화산이 많이 폭발하였다. 또한 홍수 현무암 사건도 발생하여 넓은 용암 대지가 형성되었다. 20억 년 전에는 화성 내부의 열원의 힘이 매우 약화되어 대규모의 화산 활동은 막을 내리고, 소규모 화산 활동만이 일어났다. 18억 년 전부터 10억 년 전까지 소규모 지질 활동 시대라고 한다. 올림푸스 화산과 같은 일부 거대 화산이 소규모로 활동하던 시기이며, 약한 소형 화산들이 분출물을 내뿜었다. 10억 년 전에는 화성의 자기장은 현재와 비슷한 0.012 %까지 감소하고 대기압도 현재와 거의 비슷한 수준인 0.007기압까지 줄어든다. 이때부터[23] 현세 시대로 이 시기부터 현재까진 미약한 화산 활동만 하고 있다. 지금도 화성은 일부 화산 지대에서 미약한 화산 활동을 보여준다. 화성 자체적으로 보존할 수 있는 대기압까지 감소한 상태라 자기장이 없어도 예전만큼 빨리 대기가 줄지는 않지만, 매우 적은 양이 서서히 쓸리고 있다. 하지만 화성 지표면에서도 휘발성 기체들이 올라와 오히려 현재의 대기 상태를 유지하고 있다. 물에 의한 침식이 없이 매우 얇은 대기만의 침식만 있기 때문에 화성의 침식 속도는 지구의 30,000배 이상 느리다. 따라서 지구에서는 10만 년이면 사라질 지형이 화성에서는 30억 년이 지나도 보존될 수 있다. 이후 화성의 미래는 태양이 더 뜨거워지면서 화성의 대기는 팍팍 날아가기 시작하여, 지구만큼 태양 열을 받게 되는 50억 년 뒤면 수성처럼 대기가 전혀 없는 행성이 되게 된다. 이후 70억 년 후 태양이 적색거성이 되면 지하 수백 m 깊은 흙 속에 파묻혀 있던 물들이 지상으로 나와 화성을 빠져 나가게 된다. 참고로 태양이 거성 단계일 때부터 지구는 이미 멸망한다. 그리고 위성인 포보스는 점점 더 화성의 중력에 끌려들어와 태양이 스스로에게 가하는 힘+스스로에게서 밖으로 나가는 물질들의 힘을 견디지 못해 부서져 화성과 충돌하거나, 화성의 고리가 될 것이며 데이모스의 경우는 충돌이나 고리화되는 건 피하겠지만 소행성대로 추방당할 가능성 역시 있다. 아주 먼 미래에 말이다.