화성

화성(Mars)은 태양계 행성들 가운데 태양에서 4 번째로 가까운 거리에 있으며, 지구형행성 중에는 태양에서 가장 멀리 떨어져 있는 행성이다. 화성은 지구형행성 중에 수성에 이어 두 번째로 작으며, 위성이 없는 지구형 행성인 수성, 금성과 달리 2개의 달을 거느리고 있다. 화성의 자전축은 25.19° 기울어져 있으며, 하루 길이는 지구 시간으로 24.6597 시간이다. 화성의 하루 단위는 솔(Sol)이라고 한다.

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화성의 크기는 지구형행성 중 두 번째로 작아, 반지름 기준으로 지구의 절반 정도이며, 질량은 지구의 1/10 수준이다. 따라서 밀도는 지구의 약 0.7배에 해당한다.

지구 공전궤도 밖에 있는 행성들을 일컫는 외행성 가운데 지구와 가장 가까운 행성이다. 화성은 약 2년 2개월(779.96일, 회합주기)마다 태양-지구-화성이 일렬로 늘어서는 충에 위치한다. 이무렵 지구와 화성이 가장 접근하지만, 화성과 지구 궤도가 정확하게 원궤도가 아닌 타원궤도이기 때문에 충과 최접근이 반드시 일치하지는 않는다. 이를테면 2018년 7월 27일, 화성은 충에 놓였지만, 7월 31일 지구와 가장 가까웠다. 이 때 지구-화성 거리는 57,589,633 km였다. 특히 2018년 7월 31일 화성 접근은 약 15년 주기로 나타나는 대접근으로, 지난 2003년 8월 27일 이래 지구와의 가장 거리가 가까웠다. 당시 화성은 지구에서 겉보기 등급으로 약 -2.8등급, 시직경 약 24.3초(″)에 달했다. 지구에서는 작은 망원경으로도 화성 표면을 볼 수 있었지만, 오랫동안 지속된 화성의 먼지폭풍 때문에 그 지형을 자세히 확인하는 것은 불가능했다.

화성의 극관은 17세기 네덜란드 천문학자 크리스티안 하위헌스(Christiaan Huygens)가 처음 발견했다. 극관(Martian polar ice caps)은 화성 대기 성분 가운데 가장 많은 이산화탄소(CO₂)가 화성 양극 지방의 낮은 온도(화성의 겨울에는 온도가 150K 이하로 내려간다.) 때문에 얼어서(응결돼) 만들어진 지역이다. 극관에는 이산화탄소와 함께 물(H₂O) 얼음도 포함돼 있는 것으로 밝혀졌다. 덕분에 화성에 물이 많다는 사실이 널리 알려졌고, 때문에 극관은 생명체 존재 가능성을 뒷받침하는 증거로 쓰이기도 한다.

화성의 극관은 두 개 층으로 이뤄져 있다. 그 위 층은 이산화탄소가 응결(드라이아이스)돼 만들어졌고 그 아래 층은 물이 응결(얼음)돼 형성됏다. 극관은 여름에 응결점이 낮은 이산화탄소로 된 위 층이 기화돼 물이 응결된 아래 층이 드러나며, 전체 크기도 줄어든다. 화성의 북극과 남극 지역에 있는 극관의 가장 높은 지점의 고도는 서로 다르다. 북극 지역의 극관은 화성 표면을 기준으로 가장 높은 곳이 -2000m, 가장 낮은 곳이 -5000m 인 반면, 남극 지역의 극관은 가장 낮은 곳이 1000m, 가장 높은 곳은 3500m에 달한다. 또한 이들 극관은 현재 매년 0.24@@NAMATH_INLINE@@km^{3}@@NAMATH_INLINE@@ 만큼 커지고 있다. 화성 극관에 대한 자세한 내용은 천문학 백과사전의 화성극관 표제어를 참고하면 된다.

화성 표면에서 평균기압은 약 6.36 mb로 지구 대기압(1013mb)의 약 0.63%이며, 계절에 따라 4.0~8.7 mb 사이에서 변한다. 2003년, 화성에서 메탄(CH₄)의 흔적이 발견됐지만, 이는 생명체 때문에 만들어진 것이 아닌, 화산이나 지하의 열적 활동과 같이 지질활동으로 생겼을 가능성이 높다고 알려졌다. 화성 표면을 덮고 있는 고운 모래 입자 때문에 먼지폭풍이 없을 때에도 화성 대기는 1.5마이크론 이하 초미세먼지(입자크기 2.5마이크론 이하)가 많이 포함돼 있다. 이 때문에 화성 표면에서 바라본 하늘은 밝은 갈색이나 옅은 주황색 계열의 붉은 색이며, 이러한 모습은 화성 탐사차인 오퍼튜니티(Opportunity)호의 영상에 찍히기도 했다.

화성의 내부구조에 관한 모델은, 지구와 비슷하게 중심부에는 높은 밀도를 가진 금속성 내핵과 액체 상태의 외핵, 그 바깥쪽으로 맨틀과 지각으로 나뉜다고 알려져 있다. 화성의 핵은 철과 함께 니켈과 황이 주요 성분일 것으로 추정된다. 핵을 둘러싼 맨틀은 규산염이 주성분으로, 과거 지각과 화산활동을 일으켰던 원인으로 추정하고 있다. 화성의 지각은 철, 마그네슘, 알루미늄, 칼슘, 칼륨 등이 주성분이며, 지각 두께는 지구에 비해 훨씬 두껍다고 알려졌다.

그림 2. 화성의 내부구조와 지구, 달과의 비교(출처: )

화성 표면은 현무암이 주성분이다. 그러나 일부 지역에서는 지구의 안산암과 비슷하게 이산화규소가 풍부하다는 증거가 발견되기도 했다. 또 화성 표면의 대부분은 산화철이 주성분인 먼지로 덮여 있다. 이것은 물이 존재했었다는 증거 가운데 하나로 제시된다. 이와 함께 표면에서 발견되는 암염이나 침철석도 물이 있을 때 만들어지는 광물이기 때문에 화성에 물이 있었다는 증거로 꼽힌다. 화성 내부를 설명하는 이론에 따르면 화성 핵의 반지름은 약 1,480km로 주로 철과 황이 15~17% 차지한다. 황화철 핵은 부분적으로 용융돼 있으며, 지구의 핵에 비하면 가벼운 원소의 함량이 약 2배정도 된다. 핵은 규산염질 맨틀에 둘러싸여 있다. 맨틀은 화성에서 볼 수 있는 판구조 활동과 화산 활동을 일으켜 왔지만 현재는 더 이상 활동하지 않는다. 화성 지각의 두께는 약 50km이며, 최대값은 125km 정도이다. 화성의 좌표를 설정하기 위해서 사이너스 메리디아니(Sinus Meridiani, 적도만 'Equatorial Gulf') 안의 분화구를 자오선의 기준점으로 삼고 있다. 화성은 극지방이 언 물과 이산화탄소를 포함하는 얼음 지대로 덮여 있으며 이를 극관 이라고 한다. 또한 매리너계곡(Valles Marineris), 또는 화성의 흉터라고 불리는 태양계에서 가장 큰 협곡 지대가 있다. 이 지대는 길이 4000km에 깊이는 7km에 이른다.

화성 북반구와 남반구 지형은 비대칭적으로 북반구는 용암층이 흘러내려 평평하고, 남쪽은 오래 전 고지대에 발생한 충격으로 충돌구가 생겨났다. 먼지와 산화철이 섞인 모래로 뒤덮인 지역은 한때 '아라비아의 땅'이라 불리며 화성의 대륙으로 여겨졌고, 어두운 부분은 바다로 생각됐다. 지구에서 보이는 가장 어두운 지역은 시르티스 메이저(Syrtis Major)이며, 그 부근에 화성에서 가장 큰 충돌지형인 헬라스 충돌분지(Hellas impact basin)가 있다. 화성의 대접근 때에는 밤하늘이 밝은 도시에서도 소구경 망원경으로 시르티스 메이저와 헬라스 충돌분지의 모습을 관측할 수 있다(그림 3 참조).

그림 3. 2018년 화성 대접근 당시 소형 망원경(구경 127mm 슈미트카세그래인 망원경)으로 관측한 화성. 어둡게 보이는 시르티스 메이저와 그 옆에 헬라스 분지가 보인다.(출처:2018년 7월 27일 대전촬영. 촬영자: 김태호)

화성의 계곡 주변 지형에 물이 흘렀던 자국이 여러 곳 발견됐다. 두 층으로 이루어진 화성의 극관의 위 층에는 드라이아이스(이산화탄소가 응결된 상태), 아래 층에는 응결(고체) 상태의 물(얼음)이 있다. 유럽우주청(ESA)의 화성탐사선 마스 익스프레스(Mars Express)에 탑재된 마시스(MARSIS)라는 저주파 레이더 탑재체로 남극 극관 부근 지하에서 액체상태의 호수가 발견됐다. 이 호수는 화성의 남극으로부터 북쪽으로 약 500km 정도 떨어진 지역의 지하 1.5km 정도 깊이에 약 20km 길이로 분포한다고 알려졌다. 화성의 낮은 온도에도 불구하고 액체 상태로 물이 존재하는 이유는 다량의 마그네슘과 칼슘, 나트륨이 포함돼 저온에서도 얼지 않는 것으로 생각된다.

화성의 위성은 2019년 3월 현재 기준으로 2개다. 그 이름은 포보스(Phobos)와 데이모스(Deimos)로 1877년 미국의 천문학자인 아사프 홀(Asph Hall, 1829년 10월 15일~1907년 11월22일)이 발견했다. 화성의 두 달은 크기는 매우 작아 긴 지름(화성의 위성은 구형이 아님)을 보더라도 포보스는 26km, 데이모스는 15.6km에 지나지 않는다. 포보스는 화성 표면으로부터 약 6000km 정도 떨어져 있으며 점점 화성과 가까워져 약 5000만년 뒤에는 조석력 때문에 파괴되거나 화성에 충돌할 것으로 생각된다. 반면에 데이모스는 화성 표면으로부터 약 20,000km 정도 떨어져 있으며 화성에서 점점 멀어지고 있다.

비록 화성에는 자기장이 없지만, 과거 화성 표면의 일부에는 자화된 적이 있다는 사실이 관측으로 밝혀졌다. 화성에서 발견된 자화의 흔적(고지자기)은 지구의 해양지각에서 발견되는, 교대하는 띠 모양의 고지자기와 비교돼 왔다. 2005년 마스 글로벌 서베이어의 관측 결과를 바탕으로 분석한 결과에 따르면, 이들 지자기의 띠는 과거에 있었던 화성의 판구조 활동의 증거일 수 있다. 이 밖에 극의 이동(polar wandering)으로도 화성의 고지자기를 설명할 수 있다. 지구의 자기장 축은 자전축에 대해 약 11도 정도 기울어져 있는데 비해, 화성의 자기장 축은 약 46.9도 기울어져 있다. 화성의 자기장은 표면(1기압)에서약 0.1~0.9 Gauss이며, 화성의 표면(1기압)에서 자기장의 세기는 0.142 Gauss이다.