화성극관

화성극관은 화성의 극관, 곧 화성의 양 극지역에 형성되는 얼음으로 덮여진 지형이다. 지구의 북극과 남극처럼 화성에도 남, 북극을 덮고 있는 얼음 지형이 있다. 화성 극관의 상층부는 이산화탄소가 응결되어 있으며, 하층부는 물이 응결된 층으로 이루어져 있다.

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화성의 극관은 17세기 네덜란드의 천문학자 크리스티안 하위헌스(Christiaan Hugens)가 처음 관측했다. 그는 화성 표면을 스케치로 남기면서 화성의 극관에 대해서도 개략적으로 묘사했다. 그러나 당시 그는 극관의 존재를 전혀 생각하지 못했던 것으로 추측된다. 또한 동 시대에 이탈리아에서 출생, 나중에 프랑스로 귀화한 천문학자 지오바니 도메니코 카시니(Giovanni Domenico Cassini)는 극관의 모습을 스케치(그림 1)로 자세히 남겼다. 카시니가 그린 스케치에 남은 화성의 극관으로 극관이 얼음으로 이루어진 지형일 수 있다는 가능성이 처음 제기되었다. 18세기 말 영국의 천문학자 윌리엄 허셜은 극관이 물 얼음(water ice)으로 이루어졌다는 가능성을 제안하면서 동시에 생명체 존재의 가능성을 제기하였다.

그림 1. 카시니가 1666년에 그린 화성의 모습. 카시니의 저서인 Martis circa axem proprium(1666년, 이탈리아 볼로냐)에 실린 화성의 모습으로 극관으로 보이는 모습이 그려져 있다.(출처: )

화성의 극관(Martian polar ice caps)은 화성 대기의 구성 성분 가운데 가장 많은 부분을 차지하고 있는 이산화탄소(CO₂)가 화성 양극 지방의 낮은 온도(화성의 겨울에는 온도가 150K 이하로 내려감)에서 얼어(응결) 생성된 지형이다. 또한 물(H₂O) 얼음도 포함되어 있는 것으로 밝혀졌다. 이를 통하여 화성에 다량의 물이 있다는 사실이 알려졌고 그 결과 생명체의 존재 가능성을 주장하는 증거로 제시되기도 한다. 화성의 극관은 두 개 층으로 이루어져 있다. 그 상층부는 이산화탄소가 응결(드라이아이스)되어 형성되었으며, 하층부는 물이 응결(얼음)되어 형성된 것이다. 그림 2(위)에서 전파로 측정된 화성 남극의 극관 단면도에서 윗 부분의 밝은 선은 극관 표면을 나타내며, 그림 오른쪽에서 뚜렷하게 보이는 아랫의 밝은 선은 극관의 상층부와 하층부 사이의 경계를 나타낸다.

그림 3에서 푸른 색이 짙게 나타날수록 물을 구성하고 있는 수소가 많고 따라서 물이 많다는 것을 의미한다. 화성의 남극은 여름이기 때문에 온도가 상승하여 고체상태(드라이아이스)의 이산화탄소가 승화돼 하층부에 있던 물이 응결된 것이 드러나 짙은 푸른색으로 보인다. 화성의 여름은 이산화탄소가 응결되기에는 온도가 높지만 물이 얼음 상태로 유지되기에는 온도가 충분히 낮기 때문이다. 그러나 화성의 북극은 겨울이기 때문에 이산화탄소가 응결되어 극관 하층부의 얼음(물)을 덮어 상대적으로 물이 적은 것처럼 나타난다(짙은 푸른 색이 상대적으로 적게 보임). 이는 이산화탄소가 응결된 드라이아이스가 하층부의 얼음을 덮고 있기 때문이다.

그림 2. 화성 남극의 극관 단면도. Mars Express Orbiter(위)와 Mars Global Surveyor(아래)가 측정한 화성 남극의 극관 단면. 두 층(밝은 선이 경계면)으로 되어있는 것을 확인할 수 있다. 아래 그림은 극관 단면도의 위치를 나타낸다.(출처: )

그림 3. 화성 극관의 물 존재. 짙은 푸른색일 수록 물에 포함된 수소의 양이 많다.(출처: )

화성의 북극과 남극 지역에 존재하는 극관의 고도는 다르다. 북극관의 경우 화성의 표면을 기준으로 가장 높은 곳이 -2000 미터, 가장 낮은 곳이 -5000 미터인 반면, 남극관은 가장 낮은 곳이 1000 미터, 가장 높은 곳은 3500 미터에 달한다. 또한 이들 극관은 현재 계속 성장하고 있으며 부피가 연간 약 0.24@@NAMATH_INLINE@@km^{3}@@NAMATH_INLINE@@ 정도씩 늘어나고 있다.

화성의 북극에 위치한 극관은 직경이 1100 km에 달하며, 레이더 측정에 의해서 821,000 @@NAMATH_INLINE@@km^{3}@@NAMATH_INLINE@@ 부피의 물(H₂O)이 존재하는 것으로 밝혀졌다. 그림4는 1996년 10월(화성의 초봄)과 1997년 1월(화성의 봄)에 변화된 화성 극관을 보여주는 영상이다. 이 영상은 1997년 3월(화성의 초여름)의 북극관의 변화를 3장의 사진으로 합성, 극관을 위에서 아래로 내려다 본 것처럼 재구성한 것이다. 합성에 사용된 영상은 허블우주망원경의 광시야행성카메라2(WFPC2)로 관측한 것이다.

그림 4. 허블우주망원경으로 관측한 화성의 북극 극관(출처: )

화성탐사선 Mars Express와 Mars Odyssey가 화성의 남극을 탐사함으로써 화성 남극관이 두 개 층으로 이루어져 있다는 것을 밝혀냈다. 당시 두 층으로 이루어진 화성 극관은 직경이 약 400 km 였으며, 상층부의 두께는 약 8 미터, 하층부의 두께는 약 11 미터였다.

그림 5. 남극관의 여름. 이 사진은 2000년 4월 17일 Mars Global Surveyor(MGS)의 화성 궤도선 카메라(MOC)가 촬영한 사진이며, 극관의 직경은 약 420km 이다.(출처: )

그림 6. 남극관의 봄.이 사진은 2001년 9월 12일 Mars Global Surveyor(MGS)의 화성 궤도선 카메라(MOC)가 촬영한 사진이며,극관의 직경은 약 420km 이다.(출처: )