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- NASA의 Mars InSight 탐사선의 측정 데이터, 화성 내부에 대한 새로운 관점
- 3,400~4,400km 떨어진 곳, 발생 5개의 지진에서 Mars InSight가 기록한 파도 패턴 분석
- 맨틀 암석의 온도가 1,331도임을 확인
- 화성 지각에는 맨틀보다 열을 발생시키는 방사성 원소가 10~15배 더 많이 포함돼

화성 맨틀은 생각보다 차갑다.
NASA의 Mars InSight 탐사선의 측정 데이터, 화성 내부에 대한 새로운 관점 제공

내부 살펴보기:
NASA의 Mars Insight 탐사선의 지진 데이터에 따르면 붉은 행성의 암석 맨틀은 이전에 생각했던 것보다 더 차갑고 단단하다. 이것은 또한 지구의 맨틀보다 훨씬 더 많은 철을 함유하고 있다. 이것에 대한 증거는 감람석 광물이 더 조밀한 광물 변종으로 변형되는 화성 맨틀의 전이층의 두께와 위치에 의해 제공됐다. 1,006km의 깊이에 있으며 행성 연구자들이 보고한 바와 같이 지구보다 훨씬 두껍고 흐릿하다. 

▲ 우리 이웃 행성 화성의 내부 구조는 부분적으로만 조사되었다.© NASA

화성은 우리의 이웃 행성이지만 그 내부에 대해 아는 것이 거의 없다.
첫 번째 데이터는 2018년 말부터 화성에 착륙한 NASA의 Mars Insight 탐사선에 의해 제공되었다. 그들의 지진계는 화성이 무수한 진동에 시달리고 있음을 보여주었을 뿐만 아니라, 지진 데이터는 또한 붉은 행성의 내부 구조와 가능한 깊은 곳의 화산 활동에 대한 무언가를 보여주었다.

불연속성은 어디에 있는가?

우주선의 추가 지진 데이터는 이제 화성 맨틀의 구조와 구성에 대한 자세한 정보를 제공하고 있다. 그들의 연구를 위해 메릴랜드 대학의 콴첼 황(Quancheng Huang)과 그의 팀은 탐사선에서 3,400~4,400km 떨어진 곳에서 발생한 5개의 지진에서 Mars InSight가 기록한 파도 패턴을 분석했다. 이 파도가 화성 맨틀의 암석에서 반사될 때 불연속성이 있는 곳, 즉 질감과 조건이 변하는 구역이 나타난다.

▲ Mars InSight 데이터는 화성 맨틀의 전환 영역 위치를 보여준다. © Burke et al. /PNAS

이러한 전이 영역은 지구의 맨틀에서 410km 깊이에 있으며 맨틀 광물 감람석에서 wadsleyite와 같은 더 조밀한 광물 형태로의 변화를 나타낸다. 화성은 더 작기 때문에 이전에 이 전환 영역이 더 깊다고 제안되었다. 그러나 정확한 위치는 맨틀 암석의 온도와 구성에 따라 다르다. 따라서 관련 지진 불연속의 깊이는 행성의 열 상태에 대한 핵심 정보라고 Huang과 그의 팀은 설명했다.

생각보다 시원하고 단단하다.

분석 결과 이론적 모델에 기반한 예상대로 붉은 행성의 맨틀에 실제로 불연속성이 있음이 밝혀졌다. 그러나 지진파는 이 전이층이 화성의 1,006km 깊이에 있음을 보여준다. 보완 모델을 사용해 팀은 이 지역의 맨틀 암석의 온도가 1,331도임을 확인했다. 따라서 화성 맨틀은 현재 모델을 기반으로 한 예상보다 더 차갑고 더 점성이 있다.

▲ 광선 경로 기하학 및 화성에서 맨틀 3중의 예측 이동 시간. (A) P파와 (B) S파가 중간맨틀의 불연속성과 상호작용하는 망원경로, 바닥 깊이에 따라 채색됨. InSight 착륙선(파란색 삼각형)에서 60°와 85° 사이에 형성된 삼중선. 분홍색 별은 EH45coldCrust1 모델(38)을 사용하고 30km 소스 깊이를 가정한 tS-tP 측정에서 계산된 5개의 LF 및 BB 이벤트의 위치를 ​​나타낸다. EH45TcoldCrust1 모델에서 예측된 (C) P 및 (D) S 3중의 감소된 이동 시간 곡선(시간-거리/속도). 감소 속도는 P파와 S파에 대해 각각 12km/s와 6.5km/s이다. 가지 A에서 C는 ~800km 깊이(opx에서 HP-cpx로의 전환과 관련됨)에서의 삼중화에 해당하고, 가지 C에서 F는 ~1,000km 깊이에서 삼중화(postolivine 전환과 관련됨)에 해당합니다. 회색 점선은 5개의 LF 및 BB 이벤트의 진원 거리를 강조 표시한다. (출처: Seismic detection of a deep mantle discontinuity within Mars by InSight / PNAS)

또한 흥미로운 점은 화성 맨틀의 불연속성이 20~100km 두께로 상대적으로 광범위하다는 것이다. Huang과 그의 동료들은 "이것은 화성의 감람석 이후 전이가 지구의 410km 불연속 영역보다 더 넓은 깊이 범위로 확장되었음을 시사한다"고 보고했다. 지구의 맨틀에서 이 전이층은 전체적으로 두꺼운 맨틀 층이 있음에도 불구하고 두께가 10km 미만이다.

더 많은 철과 더 적은 열 발생 요소

이러한 편차로부터 연구자들은 화성 맨틀이 지구의 맨틀과 유사한 잠재적 온도를 가지지만 철이 훨씬 더 풍부해야 한다고 결론지었다. 또한 화성 지각에는 맨틀보다 열을 발생시키는 방사성 원소가 10~15배 더 많이 포함돼 있다. 이것은 차례로 Huang과 그의 동료들이 설명하는 것처럼 현재 논의 중인 화성 맨틀 구성의 다섯 가지 모델 중 두 개만이 정확할 수 있음을 의미한다.

전반적으로 Mars InSight 탐사선의 측정 데이터는 화성 맨틀의 화학적 및 열적 구조에 대한 귀중한 정보를 제공한다. 측정은 한 위치에서만 이루어지므로 반드시 전체 행성에 의미가 있을 필요는 없다. "그러나 우리는 현재 시점에서 화성의 맨틀이 나머지 행성의 맨틀과 크게 다를 것으로 예상하지 않는다"고 팀이 말했다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; doi: 10.1073/pnas.2204474119)
출처: Proceedings of the National Academy of Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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