목성의 대적반 : 소용돌이치는 수수께끼.

 

Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

 

사진 1> 두 개의 제트 기류 사이에 갇혀있는 목성의 대적반은 그 중심이 기압이 높은 고기압 소용돌이로서 이로인해 지구의 태풍과는 반대방향으로 회전한다.

이 사진은 토성을 향하던 카시니호가 2000년 목성을 통과할 때 촬영한 것이다.

 

지구에서 관측된 가장 강력한 허리케인은 1600 킬로미터나 뻗어 있었으며 시속 320킬로미터의 상승기류를 동반했었다.

이 정도 너비는 텍사스 동쪽의 미국 전역을 감쌀 수 있을만큼 방대한 크기이다.

그러나 이런 태풍조차도 목성의 거대 폭풍인 대적반 앞에서는 난쟁이에 지나지 않는다.

여기서 거대하다는 것의 의미는 지구 크기의 두 배나 된다는 것을 의미한다.

최고속도 시속 640킬로미터에 이르는 폭풍이 가득들어찬 대적반은 목성의 하늘에서 지난 150년간 유지되어 왔다.

아니, 아마 이보다도 더 오래된 것일수도 있다.

 

인류가 망원경을 통해 하늘을 바라보기 시작한 1600년대부터 사람들은 목성에서 거대한 점을 목격했다.

물론 당시 인류가 본 점이 현재의 폭풍과 같은 것인지는 명확하지 않다.

 

오늘날 과학자들은 대적반이 존재하며 이 대적반이 과거 한동안 목성에 여전히 존재하고 있었다는 것을 알고 있지만 무엇이 이 붉은 빛의 소용돌이를 만들었는지에 대해서는 여전히 논쟁이 진행중이다.

대적반을 이해하는 것은 쉽지 않으며 이것이 목성 연구의 대부분을 차지하는 결점이기도 하다.
 
지구보다 천배정도 큰 목성은 대부분이 가스로 구성되어 있다.
수소로 만들어진 액체의 바다가 핵을 둘러싸고 있으며 대기는 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있다.
이는 지구에서처럼 폭풍을 약화시키는 고체의 대지가 존재하지 않는다는 것을 의미한다.

 

목성의 구름들은 낮은 대기에 대한 명확한 관측을 막아서고 있다.

목성에 대한 몇몇 연구들은 비교적 낮은 대기에 대한 탐사를 하기도 했지만 우주에 위치한 탐사선이나 망원경들의 대적반 연구는 주로 높은 대기에 뿌려진 구름들만을 볼 수 있었다.

NASA 고다드 우주비행센터의 행성대기연구 전문가인 에이미 사이먼( Amy Simon )은 목성과 대적반에 대해 더 많은 것을 알게 될수록 지구의 기상체계를 더 잘 이해할 수 있게 될 것이라고 말한다.

그녀는 목성이 그저 지구보다 수백만 킬로미터 더 떨어져 있을 뿐 기상은 지구와 동일한 물리적 조건 하에 기능하는 것이라고 말한다. 

사이먼은 또한 목성을 연구함으로써 태양계 너머에 있는 외계행성들에 대한 이해력도 향상될 것이라고 말했다.

 

사이먼의 설명은 다음과 같다.
"만약 우리가 외계행성계의 행성에 반사된 빛만 본다면 그 행성이 무엇으로 만들어져 있는지를 말하기 어려울 것입니다.
 하지만 우리 태양계에서 가능한 많은 차이점을 배우게 된다면 우리는 이러한 지식을 외계행성에 대해서도 적용할 수 있게 되죠."

 

목성의 상층대기에 대한 연구에 따르면 목성의 구름은 암모니아와 황화수소암모늄(ammonium hydrosulfide), 그리고 물로 구성되어 있다.

아직 과학자들은 어떤 화학반응에 의해 대적반에서와 같은 색채가 나타나는지 정확하게 알지 못하고 있다.

게다가 앞서 언급한 구름의 성분들은 목성 대기의 아주 일부만을 차지하고 있다.

 

사이먼의 설명은 다음과 같다.
"오늘날 우리가 이야기하는 것들은 모두 목성 대기의 아주 일부에 해당하는 부분일 뿐입니다.
 그래서 우리 눈에 보이는 색깔이 정확히 무엇 때문인지를 파악하기가 매우 어려운 거죠."

사이먼과 마찬가지로 고다드 우주비행센터의 많은 과학자들이 대적반의 수수께끼를 풀기 위해 노력하고 있다.

 

고다드 우주비행센터의 과학자인 마크 뢰플러(Mark Loeffler)와 레기 허드슨(Reggie Hudson)은 목성의 구름을 가격하는 복사선의 일종인 우주선이 황화수소암모늄에 화학적 변화를 일으켜 대적반의 색깔을 설명해 줄 수 있는 새로운 화합물을 만들어내는지 여부를 연구실 실험을 통해 연구하고 있다.

황화수소암모늄은 지구 대기 조건에서는 불안정 상태에 있기 때문에 뢰플러는 황화수소와 암모니아를 함께 가열하여 자신의 실험을 위한 황화수소암모늄을 만들고 있다.

그리고 나서 여기에 목성의 구름에 충돌하는 우주선과 유사한 하전 입자를 충돌시키고 있다. 

 

뢰플러의 설명은 다음과 같다.
"이것은 방사능에 오염된 황화수소암모늄이 어떤 물질을 만들어내는지를 알아내기 위한 첫번째 단계입니다.
우리는 최근에야 이러한 과정을 통해 만들어진 새로운 물질이 무엇인지를 알 수 있었습니다.
지금은 이 물질과 목성에서 나타나는 우리가 알고 있는 색깔과의 연관관계를 분석하고 있습니다."
 

다른 과학자들도 목성의 구름 아래 깊숙이 자리잡은 무색의 황화수소암모늄 층 역시 태양으로부터 복사된 우주선이나 자외선 복사에 반응할 수 있다는 이론에 동의하고 있다.

하지만 사이먼은 많은 화학물질들이 다른 상황에서도 붉은 색으로 변화하는 경우가 있다고 말한다.

"그게 바로 문제에요. 그 변화가 바로 우리가 규명하려고 하는 그 붉은 색이 맞느냐 하는거죠."

정확한 조건이라면 황화수소암모늄은 반드시 규명하고자 하는 색깔을 띠게 될 것이다.

대적반과 목성 대기상에 붉은 색을 띠는 지점들에서 나타나는 색채는 그저 황화수소암모늄만을 고려한 생각과는 달리 여러 요소들이 함께 작용한 결과일 수도 있다.

사이먼의 설명은 다음과 같다.
"이상적으로 보자면야 사람들이 원하는 것은 목성 대기에서 볼 수 있는 모든 요소들이 뒤섞인 상태에서 딱 목성에서와 동일한 온도와 목성에서와 동일한 수치의 방사능을 쬐는 것이겠죠."

 

사이먼과 뢰플러는 궁극적으로 대적반의 수수께끼를 풀기 위해서는 동일한 온도에서, 더 많은 화학물질들을 뒤섞은 상태에서 방사능 노출이 실행되어야 할 것이라고  말했다.

 

사이먼의 설명은 다음과 같다.
"결국 우리가 하고자 하는 것도 실험 조건을 목성의 대기와 더욱 유사하게 만드는 것입니다." 
 
NASA 외행성 및 행성 대기 연구 프로그램(Planetary Atmospheres and Outer Planets programs)의 지원을 받고 있는 뢰플러와 사이먼, 허드슨의 연구는 올해 말 이카루스 지에 개재될 예정이다.

뉴 멕시코 대학의 천문학자 낸시 채노버 (Nancy Chanover ) 역시 이 연구에 함께 참여하고 있다.

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2015년 8월 4일 News Release
        http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=49604

         
참고 : 목성대기의 다양한 풍경 등, 목성과 목성의 달에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346946

 

원문>

Jupiter's Great Red Spot: A Swirling Mystery

4 Aug 2015

 

(Source: NASA/GSFC)

The largest and most powerful hurricanes ever recorded on Earth spanned over 1,000 miles across with winds gusting up to around 200 mph. That's wide enough to stretch across nearly all U.S. states east of Texas. But even that kind of storm is dwarfed by the Great Red Spot, a gigantic storm in Jupiter. There, gigantic means twice as wide as Earth.

With tumultuous winds peaking at about 400 mph, the Great Red Spot has been swirling wildly over Jupiter's skies for the past 150 years-maybe even much longer than that. While people saw a big spot in Jupiter as early as they started stargazing through telescopes in the 1600s, it is still unclear whether they were looking at a different storm. Today, scientists know the Great Red Spot is there and it's been there for a while, but they still struggle to learn what causes its swirl of reddish hues.

Understanding the Great Red Spot is not easy, and it's mostly Jupiter's fault. A planet a thousand times as big as Earth, Jupiter consists mostly of gas. A liquid ocean of hydrogen surrounds its core, and the atmosphere consists mostly of hydrogen and helium. That translates into no solid ground like we have on Earth to weaken storms. Also, Jupiter's clouds obstruct clear observations of its lower atmosphere. While some studies of Jupiter have investigated areas in its lower atmosphere, orbiting probes and telescopes studying the Great Red Spot can only see clouds scattered high in the atmosphere.

Amy Simon, an expert in planetary atmospheres at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, said learning more about Jupiter and its Great Red Spot could help scientists understand Earth's weather system better. Jupiter's weather functions under the same physics as Earth, she said, just millions of miles farther from the sun. Simon also said Jupiter studies could improve our understandings of worlds beyond our solar system. "If you just look at reflected light from an extrasolar planet, you're not going to be able to tell what it's made of," Simon said. "Looking at as many possible different cases in our own solar system could enable us to then apply that knowledge to extrasolar planets."

Studies predict Jupiter's upper atmosphere has clouds consisting of ammonia, ammonium hydrosulfide, and water. Still, scientists don't know exactly how or even whether these chemicals react to give colors like those in the Great Red Spot. Plus, these compounds make up only a small part of the atmosphere. "We're talking about something that only makes up a really tiny portion of the atmosphere," Simon said. "That's what makes it so hard to figure out exactly what makes the colors that we see."

Like Simon, other scientists at Goddard work to shed light on the Great Red Spot's mystery. Goddard scientists Mark Loeffler and Reggie Hudson have been performing laboratory studies to investigate whether cosmic rays, one type of radiation that strikes Jupiter's clouds, can chemically alter ammonium hydrosulfide to produce new compounds that could explain the spot's color.

Ammonium hydrosulfide is unstable under Earth's atmospheric conditions, so Loeffler makes his own batch by heating hydrogen sulfide and ammonia together. He then blasts them with charged particles, similar to the cosmic rays impacting Jupiter's clouds. "Our first step is to try to identify what forms when ammonium hydrosulfide is irradiated," Loeffler said. "We have recently finished identifying these new products, and now we are trying to correlate what we have learned with the colors in Jupiter. "

Other experts agree with the leading theory that deep under Jupiter's clouds, a colorless ammonium hydrosulfide layer could be reacting with cosmic rays or UV radiation from the sun. But Simon said many chemicals turn red under different situations. "That's the problem," she said. "Is it turning the right color red?" Under the right conditions, ammonium hydrosulfide might be.

With the Great Red Spot and other reddish parts of Jupiter, coloring may result from multiple factors, as opposed to just ammonium hydrosulfide. "Ideally, what you'd want is a mixture with the right components of everything that you see in Jupiter's atmosphere at the right temperature, and then irradiate it at the right levels," Simon said. Ultimately, Simon and Loeffler said solving the Great Red Spot's mystery will take more experiments combining chemicals under the right temperatures, light exposures and radiation doses. "What we are trying to do is design lab experiments more realistic to Jupiter's atmosphere," Simon said.

Funded by NASA's Planetary Atmospheres and Outer Planets programs, Loeffler, Simon and Hudson's research is scheduled to appear in the journal Icarus later this year. New Mexico State University astronomer Nancy Chanover also takes part in their studies.

For facts and figures on Jupiter, visit:

http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Object=Jupiter

 

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Roberto Molar Candanosa
NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland