4'00" 읽기+0'59" 영상
- 겨울마다 전체적으로 약 15만 톤의 물이 얼음으로 침전 올림픽 수영장 60개 해당
- 일사량과 얇은 대기의 혼합으로 인해 평야와 산봉우리 모두에서 상대적으로 높은 온도
- 강한 상승 기류가 극지방에서 흐르는 수증기를 화산 거인의 측면을 따라 정상까지 운반
- 물이 어떻게 이동하는지 이해하는 것은 화성 탐사의 여러 측면에서 중요

화성 적도에서 최초로 얼음 발견
겨울에는 화성의 큰 화산 정상에 흰 서리가 형성된다.

전혀 건조하지 않음:
행성 연구자들이 올림푸스 몬스(Olympus Mons)와 다른 화성의 큰 화산 봉우리에서 흰 서리를 발견했다. 이는 화성의 적도에 얼음이 있다는 최초의 증거다. 화성의 겨울 동안 이 얼음층은 매일 아침 그늘진 정상 분화구와 협곡에 새로 쌓인다. 이 흰 서리는 아주 얇지만, 그 면적은 엄청나다. 연구팀이 "자연 지구과학(Nature Geoscience)"에서 보고한 것처럼, 겨울마다 전체적으로 약 15만 톤의 물이 얼음으로 침전될 수 있다. 

▲ 태양계에서 가장 큰 화산인 화성 화산 올림푸스 몬스(Olympus Mons)에는 얼음이 있다. 행성 연구자들은 겨울 아침에 정상에서 흰 서리가 형성된다는 사실을 발견했다. © Adomas Valantinas

화성에는 한때 호수, 강, 심지어 바다도 있었지만, 수십억 년 전에 이 물의 대부분을 잃었다. 이 물의 잔존물은 오늘날에도 극지방의 만년설과 고위도 및 온대 위도 하층토의 얼음층에 보존되어 있다. 반면, 붉은 행성의 적도 지역은 이전에는 상당히 건조하고 대부분 얼음이 없는 것으로 여겨졌다. 그러나 측정 데이터에 따르면 화성 대기에는 이 지역에도 수증기와 얼음 구름이 포함돼 있는 것으로 나타났다.

화성의 화산 꼭대기에서는 무슨 일이?

베른 대학의 아도마스 발란티나스(Adomas Valantinas)와 그의 동료들은 “물 얼음 구름은 화성의 물 순환에서 근본적인 역할을 한다”며 “그들은 극지방에서 상대적으로 건조한 적도 지역까지 수천 킬로미터에 걸쳐 수분을 운반한다”고 설명했다. 이런 식으로 이 얼음 구름은 화성의 타르시스 지역(화성 표면의 거대한 움푹 들어간 곳) 위로 지나가기도 한다. 높이 21km의 올림푸스 몬스(Olympus Mons)를 포함하여 태양계에서 가장 큰 화산이다.

▲ a, 올림푸스 몬스의 위치를 ​​표시하는 흰색 상자가 있는 화성의 전체 모습. b, 이른 아침에 획득한 올림푸스 몬스의 HRSC 광각 이미지(LST = 7:20, Ls = 346.7°, 위도 = 18.2° N, 경도 = −133.2° E).

측정에 따르면, 이 화성의 화산 지역에서는 수증기와 얼음 구름이 눈에 띄게 높은 수준에 반복적으로 도달한다. 그러나 이것이 화성 표면에 무엇을 의미하는지, 예를 들어 화산 봉우리에 얼음이 쌓일 것인지는 아직 불분명했다. 발란티나스는 “우리는 화성의 적도 지역에 얼음 퇴적물이 형성되는 것은 불가능하다고 생각했다”고 말했다. "일사량과 얇은 대기의 혼합으로 인해 평야와 산봉우리 모두에서 상대적으로 높은 온도가 보장된다.“

Valantinas와 그의 팀은 이제 이것이 실제로 사실인지 확인했다. 이를 위해 그들은 유럽 우주국 ESA의 두 궤도 탐사선인 ExoMars Trace Gas Orbiter(TGO)와 Mars Express의 기록과 분광계 데이터를 평가했다. 이 탐사선의 궤도 역시 Tharsis 지역 위로 이어진다.

Olympus Mons에 분에 띄는 축적

연구팀은 실제로 초기 이상 현상을 발견했다. 이는 2022년 11월 북부 겨울 이른 시간에 올림푸스 몬스 정상 지역 상공을 비행한 추적 가스 궤도선의 이미지에 나타났다. Valantinas와 그의 팀은 “그들은 칼데라 바닥과 가장자리의 일부에서 푸른색 퇴적물을 발견했다”고 보고했다. "이 퇴적물은 칼데라 바닥에 집중돼 있지만, 조명이 밝은 따뜻한 경사면과 화산 측면에는 없다.“ 

▲ a, MY 35에서 남부 겨울 동안 이른 아침 관측에서 분화구의 그늘진 경사면에 서리가 발생했다(위도 = −8.74° N, 경도 = −121.14° E). b – d, MY 36의 늦은 남부 봄 동안 이른 아침 관측에서는 서리가 없었고(b) 오후 관측에서는 서리가 없었다(c, d). a의 검은 선을 따른 스펙트럼 프로파일은 e에 표시되고 a를 나타낸다. 성에가 있을 때 BLU 필터의 반사율이 최대 20%까지 눈에 띄게 증가했다. 오류는 기기의 절대 교정의 불확실성으로 인해 발생하며 약 3%이다(참조 43). 조명 방향은 각 이미지의 오른쪽 하단에 있는 화살표로 표시된다. 모든 패널에서 북쪽이 위쪽에 있다. CaSSIS 이미지 ID는 MY35_008465_192_0_NPB, MY36_020297_350_3_NPB, MY36_020366_190_1_NPB 및 MY36_020478_190_3_NPB의 순서(a~d)로 표시. 크레딧: a, Creative Commons 라이센스 CC-BY-SA 3.0 IGO에 따른 ESA/TGO/CaSSIS.(출처:Published: 10 June 2024/ Evidence for transient morning water frost deposits on the Tharsis volcanoes of Mars/nature geoscience)

그런 다음 연구원들은 두 개의 우주 탐사선에서 얻은 3만 개 이상의 이미지로 부터 타르시스(Tharsis) 지역에서 스펙트럼적으로 눈에 띄는 특징의 추가 흔적을 구체적으로 검색했다. 그들은 13개의 사례에서 원하는 것을 찾았다. "이러한 사례에는 올림푸스(Olympus), 아스크라에우스(Ascraeus), 아르시아 몬테스(Arsia Montes)와 같은 가장 큰 타르시스 화산뿐만 아니라 더 작은 순상 화산인 세라우니우스 톨루스(Ceraunius Tholus)도 포함된다"고 팀은 보고했다.

▲ 아침에 화성 화산 Ceraunius Tholus 정상에 얼음이 형성되었다(a-c). 오후에는 이 얼음물이 사라졌다(d). © Adomas Valantinas

하루 15만 톤의 물

그러면 아침에 몇 시간 동안만 볼 수 있는 이 눈에 띄는 시그니처는 무엇이 만들어졌을까? 화성의 대기는 대부분 이산화탄소로 구성되어 있기 때문에 겉으로 보이는 결정질 퇴적물도 CO2 얼음으로 구성될 수 있다고 Valantinas와 그의 동료들은 설명한다. 그러나 추가적인 스펙트럼 분석과 모델링을 통해 이러한 조건은 CO2 얼음에 적합하지 않은 것으로 나타났다. 대신, 그것은 화산 봉우리에 형성되는 아침 흰 서리인 물 얼음임에 틀림없다.

하지만 이 얼음은 겨울에만 형성되며 아침에 해가 뜬 후 몇 시간 동안만 지속되다가 다시 수증기로 변한다. 게다가 흰 서리층의 두께는 불과 몇 마이크로미터에 불과하다. 그러나 그것이 거대한 지역을 덮고 있기 때문에 얼음의 양은 여전히 ​​중요하다. 행성 과학자들은 대기 중 약 15만 톤의 물이 매년 겨울 아침 화산 봉우리에 침전되어 얼어붙는다고 추정했다. 이는 올림픽 수영장 60개에 해당하는 양이다.

<화성의 화산 Arsia Mons의 흰 서리 © Adomas Valantina>

화산 분화구의 얼음 촉진 미기후

 

이번 발견으로 과학자들은 처음으로 화성 적도에서 얼음을 발견했다. 발란티나스는 “거기에 얼음이 존재한다는 사실은 흥미롭고 이곳에서 서리가 형성되는 특별한 과정이 일어나고 있음을 암시한다”고 말했다. 그와 그의 동료들은 강한 상승 기류가 극지방에서 흐르는 수증기를 화산 거인의 측면을 따라 정상까지 운반한다고 의심한다.

그곳에서 수분이 풍부한 가스 혼합물은 화산 분화구의 특별한 미기후의 영향을 받게 된다. "올림푸스 몬스와 아르시아 몬스의 칼데라에서 우리는 대기압과 표면 근처의 수평 풍속이 크게 감소하는 것을 관찰했다"고 발란티나스와 그의 동료들을 보고했다. 이러한 조건은 수증기가 서리로 결정화되도록 촉진한다.

미래의 화성 임무에도 흥미진진

공동 저자인 ESA의 Colin Wilson은 “화성 표면에서 물을 찾는 것은 과학적 관심과 로봇 및 인간의 지구 탐사에 대한 중요성 때문에 항상 흥미진진하다”며 “이번 발견은 특히나 매혹적이다. 화성에 물이 존재하는 위치와 저수지 사이에서 물이 어떻게 이동하는지 이해하는 것은 화성 탐사의 여러 측면에서 중요하다"고 말했다.

참고

Nature Geoscience, 2024; doi: 10.1038/s41561-024-01457-7)
출처: 유럽우주국(ESA), 브라운대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]