화성의 대기를 벗겨내는 태양풍

 

Credits: NASA/GSFC

 

그림 1> 이 상상화는 태양풍에 의해 화성의 상층대기로부터 벗겨져나가는 이온을 묘사하고 있다.

 

NASA의 MAVEN호가 화성초기에 생명이 유지될 수 있을만큼 따뜻하고 습기가 많은 환경에서 오늘날의 추운 불모의 땅으로 변화해가는데 핵심적인 역할을 수행한 것으로 보이는 과정을 밝혀냈다.

MAVEN의 관측 데이터는 과학자들로 하여금 화성의 대기가 태양풍에 의해 유출되고 있는 비율을 결정할 수 있게 해 주었다.

이번 발견에 의하면 화성 대기가 깎여나가는 수준은 태양풍이 발생하는 동안 현저하게 증가하는 양상을 보여주었다.

 

이 발견을 담은 논문은 11월 5일 사이언스와 지구물리학 연구지를 통해 발표되었다.

 

우주비행사이자 NASA 과학임무위원회의 국장보인 존 그룬스펠드(John Grunsfeld)의 소감은 다음과 같다.
"화성은 한때 두꺼운 대기와 액체 상태의 물이 유지될 수 있기에 충분한 기온을 가지고 있었던 것으로 보입니다.
액체 상태의 물은 우리가 아는 한 생명이 존재하기 위한 필수 성분에 해당하죠.
화성의 대기에 무슨 일이 있었던 것인지를 이해하는 것은 행성 대기의 진화와 역학에 대한 우리의 지식 향상에 많은 도움을 줄 것입니다.
행성의 환경이 수많은 미생물들이 존재할 수 있는 상태로부터 전혀 존재하지 못하는 상태로 바뀔 수 있는 요인이 무엇인지를 아는 것은 매우 중요합니다.
이것은 NASA의 화성 탐사에서 제기되는 핵심 질문이기도 하죠." 
 
MAVEN의 측정치에 따르면 태양풍은 초당 100그램의 비율로 화성 대기의 가스를 벗겨내고 있다.

 

콜로라도 대학의 MAVEN수석 개발자인 브루스 야코스키(Bruce Jakosky)의 설명은 다음과 같다.
"금전 등록기에서 매일 조금씩의 동전을 훔쳐내는 것처럼 발생하는 이러한 손실분은 오랜세월이 지나면 상당한 양이 됩니다.
우리는 화성에서 깎여나가는 대기가 태양 폭풍이 발생하는 동안 현저하게 증가하는 것을 보았습니다.
따라서 아직 태양이 어렸던 시절, 훨씬 강력한 활동성이 있었던 수십억년 전에 대기가 손실되는 비율은 지금보다 훨씬 컸을 겁니다."

 

2015년 화성에 일련의 강력한 태양 폭풍이 강타했을 때, MAVEN은 대기 손실률이 가속되는 현상을 발견했다.
과거 이러한 손실률의 증가와 태양 폭풍의 증가양상을 합치면  화성에서 대기의 손실은 화성 기후 변화에 있어 주요한 이유가 되었을 것으로 생각된다.

 

태양풍은 주로 광자와 전자로 이루어진 입자의 흐름으로서 태양의 대기에서 시속 160만 킬로미터의 속도로 쏟아져나온다.

태양풍에 의해 운반된 자기장이 화성을 휩쓸고 지나갈 때 마치 지구에서 터빈이 전기를 생성하는데 사용되는 것과 상당히 유사하게 전기장을 형성시킬 수 있다. 

이 전기장이 화성의 상층 대기에 이른바 '이온화'라는, 전기적으로 가스 원자를 자화시키는 가속작용을 하게 되고 이들을 우주로 날려버리게 된다.
 

MAVEN은 어떻게 태양풍과 자외선이 행성의 상층대기의 가스를 벗겨버리는지를 조사해왔다.

이번 연구 결과는 화성의 서로 다른 세 개 지역에서 이러한 상실현상이 나타고 있음을 알려주었다.

우선 태양풍이 휘감겨 흐르는 화성의 뒷편, 이른바 '꼬리'라 부르는 지역과 양극의 극관 위, 그리고 화성을 휘감고 있는 장대하게 펼쳐진 가스 구름이 그것이다.

과학자들은 이 중, '꼬리'지역에서 빠져나오는 이온이 전체의 75%를 차지하고 나머지 25%는 극관 지역에서, 그리고 아주 소량이 팽창된 구름으로부터 우주로 빠져나오는 것으로 파악하였다. 

 

화성에는 강에 의해 침식된 모습을 연출하는 계곡이나 액체의 물에 의해 형성될 수 있는 광물 퇴적지와 같은, 예전에 물이 풍부하게 존재했으리라고 추정할 수 있는 흔적을 가지고 있는 고대 지역들이 있다.

이러한 지역들은 과학자들로 하여금 수십억년 전 화성의 대기는 지금보다 훨씬 두껍고 기후도 훨씬 따뜻했으며, 강이나 호수, 심지어는 액체 상태의 바다도 있었을 것이라는 추론을 가능하게 하였다.

최근 과학자들은 NASA의 MRO 위성을 이용하여 소금기가 있는 액체 물의 존재를 암시하는 염수화물의 주기적인 출현을 관측한 바 있다.
(참고 : NASA 2015년 9월 28일 발표내용 )

그러나 현재 화성의 대기는 너무나 희박하고 기온은 너무나 낮아서 그 표면에 광활한 양의 액체 물이나, 오랜 동안 유지될 수 있는 액체 상태의 물은 전혀 없는 상태이다. 

NASA 고다드 우주비행센터 MAVEN 프로젝트 과학자인 조 그레보브스키(Joe Grebowsky)의 설명은 다음과 같다.
"태양풍은 대기의 상실에 있어 대단히 중요한 메커니즘이며 화성 대기의 현저한 변화를 충분히 설명할 수 있을만한 현상이기도 합니다.
MAVEN은 또한 이온의 충돌이나 수소 원소의 탈출과 같은 또다른 대기 상실 과정도 연구하고 있습니다.
이러한 요소들은 모두 대기 상실의 중요성을 증가시킬 것입니다." 

2013년 11월 발사된 NASA의 MAVEN호는 화성의 대기와 물이 얼마나 많이 우주 공간으로 사라졌는지를 파악하는 목표를 가지고 있다.

이번 결과는 태양이 화성의 대기 변화에 끼쳤을지모를 영향이 어떠하였는지를 이해하는데 도움을 주는 첫번째 결실이다.

 

MAVEN은 화성에서 관측을 시작한지 이제 막 1년이 되었으며 11월 16일에 첫번재 과학 임무를 완료하게된다.

 

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2015년 11월 5일 News Release
    http://solarsystem.nasa.gov/news/2015/11/05/nasa-mission-reveals-speed-of-solar-wind-stripping-martian-atmosphere
        
참고 : 다양한 화성 풍경 등, 화성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346937

 

 

원문>

NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere

5 November 2015 (source: NASA / Goddard Space Flight Center / University of Colorado)

NASA's Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) mission has identified the process that appears to have played a key role in the transition of the Martian climate from an early, warm and wet environment that might have supported surface life to the cold, arid planet Mars is today.

MAVEN data have enabled researchers to determine the rate at which the Martian atmosphere currently is losing gas to space via stripping by the solar wind. The findings reveal that the erosion of Mars' atmosphere increases significantly during solar storms. The scientific results from the mission appear in the Nov. 5 issues of the journals Science and Geophysical Research Letters.

"Mars appears to have had a thick atmosphere warm enough to support liquid water which is a key ingredient and medium for life as we currently know it," said John Grunsfeld, astronaut and associate administrator for the NASA Science Mission Directorate in Washington. "Understanding what happened to the Mars atmosphere will inform our knowledge of the dynamics and evolution of any planetary atmosphere. Learning what can cause changes to a planet's environment from one that could host microbes at the surface to one that doesn't is important to know, and is a key question that is being addressed in NASA's journey to Mars."

MAVEN measurements indicate that the solar wind strips away gas at a rate of about 100 grams (equivalent to roughly 1/4 pound) every second. "Like the theft of a few coins from a cash register every day, the loss becomes significant over time," said Bruce Jakosky, MAVEN principal investigator at the University of Colorado, Boulder. "We've seen that the atmospheric erosion increases significantly during solar storms, so we think the loss rate was much higher billions of years ago when the sun was young and more active."

In addition, a series of dramatic solar storms hit Mars' atmosphere in March 2015, and MAVEN found that the loss was accelerated. The combination of greater loss rates and increased solar storms in the past suggests that loss of atmosphere to space was likely a major process in changing the Martian climate.

The solar wind is a stream of particles, mainly protons and electrons, flowing from the sun's atmosphere at a speed of about one million miles per hour. The magnetic field carried by the solar wind as it flows past Mars can generate an electric field, much as a turbine on Earth can be used to generate electricity. This electric field accelerates electrically charged gas atoms, called ions, in Mars' upper atmosphere and shoots them into space.

MAVEN has been examining how solar wind and ultraviolet light strip gas from of the top of the planet's atmosphere. New results indicate that the loss is experienced in three different regions of the Red Planet: down the "tail," where the solar wind flows behind Mars, above the Martian poles in a "polar plume," and from an extended cloud of gas surrounding Mars. The science team determined that almost 75 percent of the escaping ions come from the tail region, and nearly 25 percent are from the plume region, with just a minor contribution from the extended cloud.

Ancient regions on Mars bear signs of abundant water - such as features resembling valleys carved by rivers and mineral deposits that only form in the presence of liquid water. These features have led scientists to think that billions of years ago, the atmosphere of Mars was much denser and warm enough to form rivers, lakes and perhaps even oceans of liquid water.

Recently, researchers using NASA's Mars Reconnaissance Orbiter observed the seasonal appearance of hydrated salts indicating briny liquid water on Mars. However, the current Martian atmosphere is far too cold and thin to support long-lived or extensive amounts of liquid water on the planet's surface.

"Solar-wind erosion is an important mechanism for atmospheric loss, and was important enough to account for significant change in the Martian climate," said Joe Grebowsky, MAVEN project scientist from NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "MAVEN also is studying other loss processes -- such as loss due to impact of ions or escape of hydrogen atoms -- and these will only increase the importance of atmospheric escape."

The goal of NASA's MAVEN mission, launched to Mars in November 2013, is to determine how much of the planet's atmosphere and water have been lost to space. It is the first such mission devoted to understanding how the sun might have influenced atmospheric changes on the Red Planet. MAVEN has been operating at Mars for just over a year and will complete its primary science mission on Nov. 16.

To view an animation simulating the loss of atmosphere and water on Mars:

http://svs.gsfc.nasa.gov/goto?4370

For more information and images on Mars' lost atmosphere, visit:

http://svs.gsfc.nasa.gov/goto?4393

For more information about NASA's MAVEN mission, visit:

 

http://www.nasa.gov/maven  

 

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Jim Scott
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Last Updated: 5 November 2015