화성 중력 지도

 

지금까지 제작된 것중 가장 상세하게 작성된 화성의 중력지도가 이 붉은 행성의 감춰진 내부에 대한 정보를 제공해주고 있다.

메사추세츠 기술연구소(the Massachusetts Institute of Technology, MIT) 안토니오 제노바(Antonio Genova)의 설명은 다음과 같다.
"중력 지도는 의사가 X선을 이용하여 환자의 몸을 들여다보는 것처럼 행성의 내부를 볼 수 있게 해주죠. 
이 행성의 중력 편차에 대해 더 많은 것을 알게되면 우주선을 보다 정확한 궤도로 접근시킬 수 있기 때문에, 이번에 새로 제작된 중력지도는 향후 화성 탐사에 많은 도움이 될 것입니다. 
더군다나 이번 중력지도의 해상도가 이전 버전보다 훨씬 더 많이 향상되었기 때문에 여전히 수수께끼로 남아 있는 화성의 특정 지역을 연구하는데 있어서도 도움을 받을 수 있죠."

MIT소속의 제노바는 현재 NASA 고다드 우주비행센터에서 연구 중에 있으며 3월 5일 이카루스지(the journal Icarus)에 발표된 이번 논문의 주저자이다. 
 
이번에 새로 발표된 중력지도의 향상된 해상도는 충돌 구덩이가 많이 존재하는 화성 남반구 고지대로부터 어떻게 상대적으로 균일한 지형의 북반구 저지대가 분리되어 형성되었는지에 대한 새로운 설명을 제시해 주고 있다.

 

또한 연구팀은 태양과 화성의 2개 달이 끼치는 중력에 의해 화성 지각 및 맨틀에 나타난 지각조수의 양상을 분석하여 녹은 암석으로 이루어진 액체상의 외핵이 존재한다는 사실을 확정하였다. 
 
마지막으로 연구팀은 태양활동 주기에 해당하는 11년간의 화성중력의  변화양상을 관측함으로써, 겨울동안 화성의 극관에 나타나는 어마어마한 양의 이산화탄소량도 추정해낼 수 있었다.

또한 연구팀은 북반구및 남반구에서 나타나는 계절적 변화에 따라 북극점과 남극점 사이에서 나타나는 질량변화 양상도 관측하였다.

 

 

Credits: MIT/UMBC-CRESST/GSFC

 

사진 1>   이 화성중력지도는 타르시스의 화산들과 그 주위 굴곡부를 보여주고 있다. 
가운데에 보이는 하얀색은 무거운 타르시스 화산들에 의해 만들어진 높은 중력 지대이며 그 주위를 둘러싸고 있는 파란색은 낮은 중력 지대로서 지각의 균열이 많은 암석권일 것으로 생각된다. 

이 중력 지도는 NASA의 3개 위성인 마스 글로벌 서베이어(Mars Global Surveyor, MGS)호 및 마스 오디세이(Mars Odyssey, ODY)호, 화성궤도탐사위성(the Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)의 데이터를 NASA의 깊은 우주 네트워크에 의해 수집하여 이 데이터에서 추출된 도플러 효과 및 범위 추적 데이터를 이용하여 만들어졌다.

 

다른 모든 행성들과 마찬가지로 화성 역시 균일하지 않은 중력 양상을 보여주고 있으며 이는 화성 주위를 돌고 있는 우주선에 서로 다른 중력을 미처 그 궤도를 변화하게 만든다.

 

예를 들어 산맥 위에서 중력은 더더욱 강하게 작용하며, 협곡 위를 지날 때 중력은 미세하게 더 약해진다.
이러한 미묘한 차이는 우주선의 궤도에 변화를 야기시키고 이렇게 달라진 궤도 정보는 깊은 우주 네트워크에 의해 취합된다.
이러한 미묘한 우주선의 궤도 변화 데이터가 화성의 중력장 지도를 구축하는데 사용되었다.

 

이 중력장 정보는 화성 주위를 공전하는 우주선들에 의해 지속적으로 수집된 16년간의 정보에 의해 보충되었다.

 

그러나 균일하지 않은 중력에 의해 발생하는 궤도변화는 매우 미미한 수준이며 또다른 요소들이 우주선의 움직임에 영향을 미칠 수 있기 때문에 데이터는 매우 주의깊게 해석되어야 했다.

예를 들어 우주선의 태양전지판에 미치는 태양빛의 영향이라든가, 화성의 얇은 상층 대기와 발생하는 마찰도 우주선의 궤도에 영향을 미칠 수 있는 요소였던 것이다.

 

따라서 이처럼 중력 때문이 아닌 다른 요소에 의해 발생한 움직임을 제거하기 위해 2년간 데이터의 분석 및 컴퓨터 모델링이 실시되었다.

 

제노바의 설명은 다음과 같다.
"이번 새로운 중력지도를 이용하여 우리는 약 100킬로미터 너비까지 중력편차를 좁혀볼 수 있게 되었습니다.
그리고 약 120킬로미터의 해상도로 화성 지각이 두께를 알 수 있게 되었죠.
이처럼 한층 향상된 해상도는 여러 군데의 화성 지각이 오랜시간동안 어떻게 변화되어왔는지를 해석할 수 있도록 도와줄 것입니다."

 

예를 들어 아키달리아 평원(Acidalia Planitia)고 템페 테라(Terra)간의 낮은 중력 지역은 화성의 기후가 오늘날보다 훨씬 습도가 높던 시절 화성 남반구 고지대로부터 북반구 저지대로 물과 퇴적물을 나르던 운하가 파묻혀 있기 때문인 것으로 해석되었다.

 

그러나 이번 새로운 중력지도는 낮은 중력 편차가 확실히 더 크게 나타나고 있으며 고지대와 저지대간의 경계부를 따라 늘어서 있음을 알려주었다.
이러한 낮은 중력지대가 쭉 늘어선 구조는 단순히 파묻힌 협곡 때문만은 아닌 것 같다.
왜냐하면 이 지역은 주위 평원보다도 더 높은 고도를 가지고 있기 때문이다.

 

이번 새로운 중력지도는 물이 자연스럽게 흘러내린 것과는 다른 형태를 가진 국부 지형 사면을 수직으로 가로지르는 구조들을 보여주고 있다.
이에 대한 또다른 가설은 이러한 중력편차가 존재하는 이유로 행성에서 가장 외곽층을 차지하는 강력한 층인 암석권이 타르시스 지형의 형성에 의해 굴곡이나 휘어짐이 연이어 나타난 결과일 것으로 가정하고 있다.

타르시스는 수천킬로미터에 걸쳐 펼쳐져 있는 태양계에서 가장 거대한 화산지대이며 따라서 타르시스의 화산들이 성장하면서 주위의 암석권이 거대한 무게로 인해 휘어져 버렸을 수도 있는 것으로 추측하고 있는 것이다.

 

이번 새로운 중력지도는 또한  연구팀으로 하여금 이전 중력 지도를 통해 유추된 녹은 암석에 의한 액체 외핵의 존재를 확정할 수 있도록 해주었다.

 

이번 중력지도의 해상도는 화성에 나타나는 화성의 지각 조수의 측정치도 향상시켜주었다.
이 자료는 지질물리학자들로 하여금 화성 내부의 모델을 개선하는데 사용되었다.

 

오랜시간에 걸친 화성 중력의 변화양상은 마스 글로벌 서베이어(Mars Global Surveyor, MGS)호 및 마스 오디세이(Mars Odyssey, ODY)를 이용한 극관의 관측을 통해 측정된바 있다.
이번에는 처음으로 화성궤도탐사 위성의 데이터를 이용하여 화성의 질량 모니터링을 이어갔다.

 

연구팀은 한쪽 반구가 겨울을 지나는 동안 3~4조 톤에 달하는 이산화탄소가 대기중에서 얼어 북반구나 남반구의 극관을 형성한다는 것을 알아냈다.
이는 화성 전체 대기의 12~16퍼센트에 달하는 질량이다.

 

화성에서 나타나는 이산화탄소의 계절적인 강우량은 NASA의 바이킹 호에 의해 처음으로 측정된 바 있다.
이번 관측을 통해 화성 전역의 참고 대기 모델(2010)의 수치적 예측치가 사실로 확정되었다.
 

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2016년 3월 21일 News Release
         http://solarsystem.nasa.gov/news/2016/03/21/new-gravity-map-gives-best-view-yet-inside-mars        

 

참고 : 다양한 화성 풍경 등, 화성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346937

 

 

원문>

news

New Gravity Map Gives Best View Yet Inside Mars

21 March 2016 (source: NASA/GSFC)

 

A new map of Mars' gravity made with three NASA spacecraft is the most detailed to date, providing a revealing glimpse into the hidden interior of the Red Planet.

"Gravity maps allow us to see inside a planet, just as a doctor uses an X-ray to see inside a patient," said Antonio Genova of the Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, Massachusetts. "The new gravity map will be helpful for future Mars exploration, because better knowledge of the planet's gravity anomalies helps mission controllers insert spacecraft more precisely into orbit about Mars. Furthermore, the improved resolution of our gravity map will help us understand the still-mysterious formation of specific regions of the planet." Genova, who is affiliated with MIT but is located at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, is the lead author of a paper on this research published online March 5 in the journal Icarus.

The improved resolution of the new gravity map suggests a new explanation for how some features formed across the boundary that divides the relatively smooth northern lowlands from heavily cratered southern highlands. Also, the team confirmed that Mars has a liquid outer core of molten rock by analyzing tides in the Martian crust and mantle caused by the gravitational pull of the sun and the two moons of Mars. Finally, by observing how Mars' gravity changed over 11 years - the period of an entire cycle of solar activity -- the team inferred the massive amount of carbon dioxide that freezes out of the atmosphere onto a Martian polar ice cap when it experiences winter. They also observed how that mass moves between the south pole and the north pole with the change of season in each hemisphere.

 

The map was derived using Doppler and range tracking data collected by NASA's Deep Space Network from three NASA spacecraft in orbit around Mars: Mars Global Surveyor (MGS), Mars Odyssey (ODY), and the Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). Like all planets, Mars is lumpy, which causes the gravitational pull felt by spacecraft in orbit around it to change. For example, the pull will be a bit stronger over a mountain, and slightly weaker over a canyon.

Slight differences in Mars' gravity changed the trajectory of the NASA spacecraft orbiting the planet, which altered the signal being sent from the spacecraft to the Deep Space Network. These small fluctuations in the orbital data were used to build a map of the Martian gravity field.

The gravity field was recovered using about 16 years of data that were continuously collected in orbit around Mars. However, orbital changes from uneven gravity are tiny, and other forces that can perturb the motion of the spacecraft had to be carefully accounted for, such as the force of sunlight on the spacecraft's solar panels and drag from the Red Planet's thin upper atmosphere. It took two years of analysis and computer modeling to remove the motion not caused by gravity.

"With this new map, we've been able to see gravity anomalies as small as about 100 kilometers (about 62 miles) across, and we've determined the crustal thickness of Mars with a resolution of around 120 kilometers (almost 75 miles)," said Genova. "The better resolution of the new map helps interpret how the crust of the planet changed over Mars' history in many regions."

For example, an area of lower gravity between Acidalia Planitia and Tempe Terra was interpreted before as a system of buried channels that delivered water and sediments from Mars' southern highlands into the northern lowlands billions of years ago when the Martian climate was wetter than it is today. The new map reveals that this low gravity anomaly is definitely larger and follows the boundary between the highlands and the lowlands. This system of gravity troughs is unlikely to be only due to buried channels because in places the region is elevated above the surrounding plains. The new gravity map shows that some of these features run perpendicular to the local topography slope, against what would have been the natural downhill flow of water.

An alternative explanation is that this anomaly may be a consequence of a flexure or bending of the lithosphere -- the strong, outermost layer of the planet -- due to the formation of the Tharsis region. Tharsis is a volcanic plateau on Mars thousands of miles across with the largest volcanoes in the solar system. As the Tharsis volcanoes grew, the surrounding lithosphere buckled under their immense weight.

The new gravity field also allowed the team to confirm indications from previous gravity solutions that Mars has a liquid outer core of molten rock. The new gravity solution improved the measurement of the Martian tides, which will be used by geophysicists to improve the model of Mars' interior.

Changes in Martian gravity over time have been previously measured using the MGS and ODY missions to monitor the polar ice caps. For the first time, the team used MRO data to continue monitoring their mass. The team has determined that when one hemisphere experiences winter, approximately 3 trillion to 4 trillion tons of carbon dioxide freezes out of the atmosphere onto the northern and southern polar caps, respectively. This is about 12 to 16 percent of the mass of the entire Martian atmosphere. NASA's Viking missions first observed this massive seasonal precipitation of carbon dioxide. The new observation confirms numerical predictions from the Mars Global Reference Atmospheric Model - 2010.

The research was funded by grants from NASA's Mars Reconnaissance Orbiter mission and NASA's Mars Data Analysis Program.

 

Credits

Author: Bill Steigerwald

Production Editor:

Source:

NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland
William.A.Steigerwald@nasa.gov

Last Updated: 21 March 2016