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화성에도 녹색 에어글로우(Airglow, 대기광)가 있다.
태양 UV 복사선이 이산화탄소를 분리, 들뜬 산소원자가 방출.
파장 557.7nm에서 피크(짙은 녹색).

화성에 녹색 대기광(Airglow) 존재 가정, 40년 만에 첫 관측

처음으로, 과학자들이 화성에서 다른 행성의 밤하늘에서 녹색 빛이 나는 현상을 관찰했다.
지금까지 높은 대기의 희미한 녹색 여명은 지구에서만 알려졌다.
최근 ESA 우주 탐사선 ‘Trace Gas Orbiter’가 보내온 데이터를 통해 화성에도 이 녹색 에어글로우(Airglow, 대기광)이 있음을 알 수 있었다. 태양 UV 복사선이 닿을 때 이산화탄소의 붕괴로 발생한다.

▲ "에어 글로우"는 상부 대기에 녹색 빛을 발한다. 연구원들은 또 다른 행성인 화성에서 밤하늘이 녹색으로 빛나는 것을 처음으로 확인했다. (NASA)

우주에서 볼 수 있다.
지구의 대기는 오로라가 없는 경우에도 밤에 유령 같은 녹색, 적색 또는 황색으로 반짝인다. 이 소위 대기광은 낮 동안 태양의 자외선이 대기 중의 가스 분자를 자극하기 때문에 발생한다. 원자가 약간 밀려 바닥 상태로 떨어지면 광자를 방출한다.
그래서 이 밤하늘의 빛은 여전히 ​​밤마다 보인다.

종종 지구 대기광의 녹색과 많은 극광이 들뜬 산소 원자에 의해 발생한다.
그들은 557.7nm(나노미터)의 파장을 가진 빛을 방출하는데, 이는 강렬한 녹색에 해당한다.

▲ Airglow over the VLT platform 출처:http://www.eso.org/public/images/uhd_vlts

붉은 행성에서 대기광(Airglow,에어글로우) 발견

그러나 다른 행성에서는 어떨까?
산소를 포함하는 분자가 대기에 있는 한 녹색 밤하늘 빛을 보여줄 수 있다.
실제로, 과학자들은 약 40년 전에 화성에 녹색 기류가 존재해야 한다고 가정했다.
그러나 이 현상은 화성이나 다른 행성에서도 입증된 적이 없다.

이제 바뀌었다.
현재 화성을 공전하는 우주 탐사선 중 하나가 목표로 한 기울기 덕분이다.
일반적으로 유럽 우주국 ESA의 TGO(Trace Gas Orbiter)의 도구는 화성 표면을 향하여 수직으로 아래쪽을 향하고 있다. 이것은 UVIS 분광계에도 적용되는데, 자외선 및 가시광선 방출을 포착해 파장 성분으로 분리한다.

"우리는 화성 가장자리를 가리 키도록 UVIS Nadir 채널을 재정렬하기로 결정했다."라고 Liége 대학의 동료 장-끌로드 제라드(Jean-Claude Gérard)는 말한다.
2019년 4월부터 12월까지 UVIS 분광기는 화성 대기를 통해 대각선으로 기울어져 있다.

▲ 화성 대기의 스펙트로그램에서 557.7 나노 미터 파장의 방출 피크. © J.-C. Gerard et al. (2020)

557.7 나노 미터에서 큰 "스파이크"

실제로 연구원들이 데이터를 평가했을 때 분광계는 정확히 557.7 나노 미터의 파장에서 현저한 변형을 나타냈다. 제라드(Gérard)와 그의 팀이 보고한 것처럼, 녹색 빛은 배경 조명에서 분명하게 눈에 띄었을 뿐만 아니라 지구보다 더 강했다.
"눈에 보이는 방출은 훨씬 약하다"라고 제라드는 말했다.

지구가 녹색 밤하늘 조명 현상이 발생하는 유일한 행성은 아니라는 것이 분명해졌다.
ESA의 하카 스베뎀(Håkan Svedhem)은 “이것은 지구 이외의 행성에서 이 중요한 발광이 관측된 것은 이번이 처음이다”고 말했다.
우리의 이웃 행성은 다른 행성의 가스 껍질에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 새로운 시각을 열어준다. 제라드는 “40년 전 이 방출이 화성에 존재할 것으로 예상되었다. 이제 우리는 TGO 덕분에 마침내 그것을 발견했다”고 말했다.

▲ ISS에 포착된 지평선 위 에어글로우. 호주 캔버리 남서쪽 상공을 지나고 있다. The airglow above the horizon, captured from the ISS. The major urban area on the coast is Brisbane, Australia. The station was passing over an area southwest of Canberra.

분해되는 이산화탄소가 원인

녹색 빛은 어떻게 생길까?
지구와 달리 화성의 가스층에는 유리된 산소 분자가 거의 없다.
대기는 95%의 이산화탄소, 아르곤과 질소가 각각 약 2%, 산소 0.13%로 구성돼 있다.
이 혼합물에서 흥분된 산소가 생성될 수 있는 방법을 찾기 위해 연구원들은 모델에서 프로세스를 재구성했다.

붉은 행성 위의 빛이 지구와 약간 다르게 생성되는 것으로 나타났다.
제라드는 “이러한 방출은 주로 이산화탄소가 구성 성분인 산소와 탄소로 분리된다는 사실에서 비롯된다”고 설명했다. 이 광해리는 태양으로부터의 고에너지 방사선이 CO2 분자를 만나 분해할 때 발생한다. 새로운 CO2 분자를 형성하기 위해 다시 결합하기 전에 이 방사선을 방출하는 것은 들뜬 산소 원자이다.

더 자세히 분석한 결과, 이 과정은 화성 대기의 두 영역에서 발생하는 것으로 나타났다.
대기광의 가장 큰 피크는 약 80km 상공에 있으며, 다른 하나는 약 120km의 높이에 있다.

▲ Airglow in Auvergne (France) on 13 August 2015

행성 대기에 대한 중요한 통찰

화성에서 초록색 밤하늘 빛이 발견되면 지구가 이와 관련해 유일한 사례가 아니라는 사실을 확인하게 해준다. 또한 행성의 가스층을 형성하는 과정과 우주 방사선과의 상호 작용을 형성하는 과정에 대한 귀중한 통찰력을 갖게 한다.
동시에 화성 대기에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 지식도 우주여행에 실질적으로 중요하다. 무엇보다도 우주 탐사선이 화성에 착륙하는데 영향을 미치기 때문이다.

(Nature Astronomy, 2020; doi : 10.1038 / s41550-020-1123-2)
출처 : 유럽 우주국 (ESA)

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