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- 두 행성은 약 45억 년 전에 원시 구름의 같은 영역과 같은 기본 구성 요소에서 형성
- 둘 모두 낮의 길이와 축 기울기 비슷, 발달 과정도 처음에 비슷.
- 모두 생명체가 살기에 적합한 기후와 대기, 물로 가득 찬 호수와 바다를 갖고 있었다.
- 화성의 열대 지방에서는 에너지 부족, 지구의 열대 지방에서는 에너지가 넘친다
- 이런 비대칭성으로 인해 화성 먼지 폭풍 발생

지구와 화성: "거울로 본" 세계
두 행성의 방사선 균형은 놀랍게도 반대 패턴을 보여준다.

ꓥ 대신 U:
지구와 화성은 여러 면에서 비슷하지만, 분석 결과에 따르면 놀라울 정도로 대조적인 복사 균형을 보인다. 화성에서는 극지방에 에너지가 넘치지만 적도에는 에너지가 부족하다. 이는 지구와는 정반대 현상이다. 또한, 계절에 따라 현저한 불균형이 있는데, 남쪽의 봄은 북쪽의 봄보다 훨씬 길고 따뜻하다. 이는 화성에서 왜 그렇게 거대한 먼지 폭풍이 발생하는지 설명할 수 있다.
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▲ 화성은 지질학적으로 우리 지구와 비슷하다. 하지만 그 방사선 균형은 놀라울 정도로 달라 보인다. © 휴스턴 대학교

화성과 지구는 형제 행성이다. 두 행성은 약 45억 년 전에 원시 구름의 같은 영역과 같은 기본 구성 요소에서 형성되었다. 두 행성 모두 낮의 길이와 축 기울기가 비슷하며, 발달 과정도 처음에 비슷했다. 두 행성 모두 생명체가 살기에 적합한 기후와 대기, 그리고 물로 가득 찬 호수와 바다를 갖고 있었다. 하지만 지구는 계속해서 번성한 반면, 조금 더 작고 더 멀리 공전하는 화성은 점점 차가워지고 건조해졌으며 생명체가 살기에 더 어려워졌다.

화성의 방사선 균형에 초점

이제 처음으로 행성 연구자들은 화성의 중요한 기후 요인인 복사 균형을 더욱 자세히 조사했다. 휴스턴 대학의 래리 구안(Larry Guan)과 그의 동료들은 "이 복사 대조표는 흡수된 태양 복사와 복사된 열에너지의 결과다"고 설명했다. 에너지 섭취와 출력의 비율은 행성이 기후 평형 상태에 있는지를 결정한다. 에너지 균형에 있어서 계절적, 지역적 차이가 계절과 날씨, 대규모 대기 순환을 형성한다.

▲ 화성과 지구는 크기가 같지는 않지만, 기원, 구조, 초기 발전 과정이 비슷하다. © NASA/JPL-Caltech

그러나 화성의 방사선 균형은 이전에는 대략적으로만 알려져 있었다. 따라서 구안과 그의 팀은 마스 글로벌 서베이어 궤도선의 열 방출 분광계(TES)에서 얻은 데이터를 평가했다. 이 기구는 화성에서 나오는 열 복사선과 우주에서 행성에 도달하는 태양 복사선을 모두 측정한다. 연구팀은 화성의 방사선 프로필을 처음으로 만들어 위도, 계절 및 연도별 에너지 균형을 보여주었다.

화성의 균형 곡선이 역전되었다.

분석 결과 놀라운 사실이 드러났다. 연구팀은 "우리는 이 두 지구형 행성 사이에 근본적인 차이점을 발견했다"고 보고했다. “화성의 열대 지방에서는 에너지 부족을 관찰하는 반면 지구의 열대 지방에서는 에너지가 넘친다.” 그리고 극지방에서는 반대의 균형이 관찰되었다. “화성의 중위도와 고위도 지방에서는 에너지가 넘치지만 지구에서는 적자다.”

이 대조는 순 에너지 균형 곡선에서 극명하게 드러난다. 지구의 곡선은 적도에서 뚜렷한 정점을 이루는 ꓥ 모양과 비슷하다. 반면 화성의 순 에너지 곡선은 U자 모양에 더 가깝다. "두 행성 사이의 복사 균형의 차이는 정말 흥미롭다." 구안의 동료인 리밍 리(Liming Li)가 말했다. 화성은 또한 적도에서 극보다 더 많은 태양 복사를 받는다. 그럼에도 불구하고 화성 열대지방에서는 복사에너지가 마이너스다.

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무엇이 숨어 있을까?

하지만 왜 그럴까? 행성 연구자들은 이런 놀라운 대조의 주된 이유가 두 행성의 대기에 있다고 생각한다. "지구에는 두꺼운 대기와 액체 물로 가득 찬 바다가 있다. 둘 다 경도의 열전달을 촉진한다"고 팀은 설명했다. 열대 지방으로 복사되는 에너지의 일부는 극지방으로 이동한 후에야 열복사의 형태로 우주로 방출된다.

연구자들은 또한 열대 수렴대의 높은 구름대가 지구 적도 지역에서의 열복사를 방해한다고 설명했다. 두 가지 효과가 합쳐져서 지구의 열대 지방은 지역적으로 방출하는 것보다 더 많은 태양 복사선을 흡수하게 된다. 그러나 극지방에서는 상황이 반대다. 그곳에서는 밝은 얼음 표면이 약하게 들어오는 햇빛을 반사하고, 동시에 바다는 남쪽에서 가져온 열을 방출한다. 결과적으로 극지방 복사에너지 균형이 부족해진다.

화성에서는 다르다. 구안과 그의 동료들은 "화성에는 액체 바다가 없고 얇은 대기만 있다"고 설명했다. "이것은 경도 열전달을 방해하고 더 가파른 온도 기울기를 만든다." 결과적으로 들어오는 태양 에너지 대부분은 현장에서 우주로 다시 방사된다. 구름이 없고 맨 화성 표면의 반사율이 비교적 높기 때문에 적도 지방은 극지방보다 더 많은 열을 우주로 방출한다. 전반적으로 화성의 곡선은 평평하고 중위도인 가운데가 움푹 낮다.

남반구의 봄은 훨씬 더 따뜻하고 길다

차이점은 그것뿐만이 아니다. 화성의 방사선 균형은 지구보다 계절이 더 뚜렷하며 매우 비대칭적이다. 지구상에서 태양 복사선이 가장 강한 지역은 일년 내내 대체로 대칭적으로 이동한다. 때로는 약간 북쪽으로, 때로는 남쪽으로 이동한다. 위도에 따른 열 복사량은 거의 변하지 않는다.

그러나 화성에서는 남반구와 북반구의 따뜻한 계절의 복사 균형에 큰 차이가 있다. 남반구 봄에는 중위도와 고위도 지역에서 에너지 잉여가 북반구 봄보다 훨씬 크고 더 오래 지속된다. "이 남쪽 봄철 과잉은 화성의 모든 계절 중 가장 높을 뿐만 아니라 면적 면에서도 가장 크다. 남반구 거의 전체에 걸쳐 있다"고 관과 그의 팀이 보고했다.

이런 비대칭성으로 인해 먼지 폭풍이 발생하는가?

그 이유는 화성의 궤도가 지구보다 타원형이기 때문이다. 연구원들은 화성 궤도의 이심률이 0.093인 반면 지구의 이심률은 0.016이라고 설명했다. 화성이 궤도의 태양에 가장 가까운 부분을 지날수록 남쪽 절반은 태양을 향해 돌기 시작한다. 그 결과 남쪽 봄에는 태양 복사열이 특히 높다. 그러나 연구원들의 설명에 따르면, 북쪽 봄에는 화성이 태양으로부터 더 멀리 떨어진 궤도를 통과하기 때문에 태양 복사열이 다소 낮아진다.

▲ 허블 우주 망원경이 촬영한 전체 화성에 먼지 폭풍이 발생하기 전과 발생 중인 화성의 모습. © NASA/STScI

계절의 비대칭성은 화성의 또 다른 특징인 엄청난 먼지 폭풍을 설명할 수도 있다. 구안과 그의 동료들은 "남쪽 봄철의 강력한 에너지 과잉은 대류 흐름에 불안정성을 초래한다"며 "이러한 불안정성은 화성 남반구에서 먼지 폭풍이 발생하는 데 유리하다"고 썼다. 극단적인 경우, 이한 먼지 폭풍은 2018년의 가장 최근 사례처럼 화성 전체에 걸쳐 확산되었다. "이러한 결과는 화성에 대한 우리의 지식을 심화시킬 뿐만 아니라 지구형 행성의 대기 과정에 대한 중요한 통찰력을 제공한다"라고 리는 말했다.
(AGU Advances, 2025; doi: 10.1029/2024AV001389)
출처: AGU Advances, University of Houston

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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