화성의 땅 속 해부, 왜 자기장이 없을까?

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-23 22:27:20
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* Mars InSight 우주 탐사선, 2018년 11월 부터 화성에 거주, 지진계로 다양한 데이타 전송
* 화성에는 3개의 지각층, 두께가 각각 8km, 12km, 19km.
* 화성에 판 구조가 없고 판이 하나다. 핵은 크고 가볍다. 핵의 밀도 6g/㎠(지구 9-13g/㎠)
* 10~15%의 유황 외에도 화성 핵에는 산소, 수소, 탄소가 있을 수 있다.

화성 해부학 공개
Mars InSight 우주선의 데이터가 붉은 행성의 내부 구조를 보여준다.


내부 살펴보기:

Mars InSight 우주 탐사선의 데이터가 처음으로 화성의 내부 작동을 밝히고 몇 가지 놀라운 사실을 알려줬다. 붉은 행성의 액체 핵은 이전에 가정한 것보다 더 크고 밀도가 낮다. 대신, 그의 맨틀에는 더 깊고 더 절연성이 있는 층이 없다. 화성의 지각은 또한 2개 또는 3개의 다른 하위 층으로 구성된 것 같다. 연구자들이 Science 저널에 이와 관련된 세 개의 논문을 게재했다. 

▲ Mars InSight 탐사선의 지진 데이터는 화성의 내부 작동에 대한 초기 정보를 제공했다.

© Chris Bickel, Science / AAAS, Mars InSight SEIS


화성은 어떻게 내부가 건설됐을까?
판 구조론이 없는 이유는 무엇일까?
그리고 왜 화성은 자기장을 잃었을까?
화성은 우리의 이웃 행성이지만 이 모든 질문은 여전히 ​​열려 있다. 연구원들이 아직 내부를 들여다볼 수 없었기 때문이다. 이제 NASA의 Mars InSight 우주선의 도움으로 상황이 달라졌다.

이 우주선은 2018년 11월부터 화성에 있었고 지진계를 사용해 행성 깊숙한 곳의 소리를 듣는다. 이미 수많은 화성 지진이 등록되어 화성 내부에 대한 정보를 알려주는 지진 데이터를 수집했다.

이제 국제 연구팀이 화성 탐사선의 이전 데이터 산출량을 평가하고 행성의 내부 작동에 대한 첫 번째 중요한 통찰을 갖게 됐다. 이에 따르면 화성은 이전의 지구와 마찬가지로 물질이 층으로 분화되기 전에 먼저 빛나는 액체였다. 그러나 지각, 정신 및 핵의 결과적인 층 구조는 지구의 구조와 다르다.

여러 층의 지각

차이점은 지각에서 시작된다.
화성에서는 분명히 서로 다른 구성의 두 개 또는 세 개의 층으로 나뉜다.
Mars InSight 사이트에서 상부 지각 층은 두께가 약 8km이고 두 번째 층은 두께가 약 12km이다. “그다음에 맨틀이 뒤따를 수 있다. 이것은 지구의 대륙 지각과 비교할 때 놀라울 정도로 얇은 지각이 될 것”이라고 쾰른 대학의 브리기테 크나프마이어-엔드룬(Brigitte Knapmeyer-Endrun)은 말했다.

그러나 화성에는 19km 더 깊이 확장된 세 번째 지각층이 있을 수도 있다.
전체적으로 화성 지각의 두께는 적도 근처 탐사선의 착륙 지점에서 20~39km 사이다.
Knapmeyer-Endrun은 덧붙였다. “그러나 어쨌든 우리는 전체 지각이 표면 측정과 화성 운석에서 알려진 것과 동일한 물질로 구성되어 있다는 것을 배제할 수 있다.”

지진 측정은 또한 화성 지각이 예상보다 더 많은 방사성 열을 생성하는 요소를 포함하고 있다는 것을 시사한다. 이들은 맨틀과 관련해 13~20배 농축된다.
▲ Mars InSight 지진계는 붉은 행성 깊숙한 곳의 소리를 듣는다. © NASA / JPL-Caltech

하단 맨틀이 없다.

화성의 맨틀은 우리 지구 맨틀과 다르다.
암석권의 깊이는 400~600km로 지구보다 2배 이상 깊다. 우리의 지구는 암석권이 100~200km 두께다. 표류하는 대륙판의 단단한 암석층의 일부다. 반면 화성에는 일반적인 가정에 따른 실제 판 구조가 없다. ETH Zurich의 아미르 칸(Amir Khan)은 "두꺼운 암석권은 '하나의 판 행성'인 화성 모델과 잘 맞다"고 설명했다.

화성의 두꺼운 암석권 뒤에는 맨틀의 더 뜨겁고 더 유동적인 부분이 있으며, 이는 지구의 상부 맨틀과 구성 및 광물학이 유사하다. 그러나 화성에 부족한 것은 지구의 하부 맨틀에 상응하는 부분이다. 이것은 660km 깊이에서 시작되며 열에도 불구하고 높은 압력으로 인해 고체인 특히 조밀한 광물 형태가 특징이다. 맨틀 광물 브릿지마나이트(Bridgemanite)가 이에 해당한다. 이 광물은 화성에 없는 것 같다.

대신, 화성 맨틀은 지구의 상부 맨틀과 유사한 감람석 광물이 전체를 지배할 가능성이 높다. ETH Zurich의 시몬 스탤러(Simon Stähler)와 동료들은 "이는 화성에 상대적으로 밀도가 높고 단열이 잘 되는 낮은 지구 맨틀 층이 없다는 것을 의미한다"고 설명한다. 이것은 화성이 자기장을 잃은 이유를 설명할 수 있다. 안정적인 절연 브릿지마나이트 층이 없기 때문에 화성 내부가 너무 빨리 냉각되었을 수 있다.

화성의 핵은 생각보다 크고 가볍다

화성의 핵에 대해 보고해야 할 놀라운 사실도 있다.
연구원들은 지진 데이터에서 많은 모델에서 가정한 것보다 더 커야 한다고 결론지었다.
반경이 1830km로 화성 내부의 절반을 차지할 수 있다. 1600~1700도의 온도와 18~19기가파스칼의 압력이 코어-맨틀 경계에서 우세하다. 후자는 지구 코어-맨틀 경계보다 거의 10배 낮다.

화성 핵의 크기는 그 물질이 이전에 가정한 것보다 밀도가 낮아야 한다는 의미다.
연구원들은 새로 결정된 핵의 밀도를 입방 센티미터당 약 6g으로 설정했다.
대조적으로, 지구 핵의 밀도는 입방 센티미터당 9~13g으로 훨씬 더 높다. "따라서 핵에는 철과 니켈 외에 더 가벼운 요소가 많이 포함되어 있어야 한다"고 Khan은 설명했다.

연구팀의 예비 가정에 따르면 10~15%의 유황 외에도 화성 핵에는 산소, 수소, 탄소가 있을 수 있다. 지구 핵에 비해 그러한 가벼운 원소의 함량이 높다는 것은 왜 화성의 핵이 계속 액체이고 단단한 내부 핵이 없는지 설명할 수 있다.

Stähler와 그의 팀은 "이러한 화학 성분은 필요한 온도를 사용할 수 없었기 때문에 핵이 내부에서 외부로 결정화되는 것을 방지했을 것이다"고 설명했다.

많은 수수께끼가 남아 있다.

Mars InSight의 첫 번째 데이터조차도 우리의 이웃 행성이 결코 더 작은 지구의 복제품이 아니라는 것을 보여준다. 그 대신, 그 내부 작용은 몇 가지 결정적인 면에서 지구의 작용과 다르다. ETH Zurich의 도메니코 지아르디니(Domenico Giardini)는 "하지만 모든 데이터에 대한 평가는 아직 끝나지 않았다. 화성은 여전히 ​​우리를 당혹스럽게 한다"고 말한다.

화성이 지구와 완전히 다른 발전을 겪은 이유는 여전히 불분명하지만 둘 다 같은 출발 물질로 형성됐다. 연구원들은 화성의 개별 층의 구성이나 초기에 강한 자기장을 잃은 이유에 대한 질문에 대해서만 추측할 수 있다.
(Science, 2021; doi: 10.1126 / science.abi7730; doi: 10.1126 / science.abf2966; doi: 10.1126 / science.abf8966)
출처: ETH Zürich, Universität Köln

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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