한국항공우주연구원

<토성의 위성 타이탄의 대기에 있는 구름을 형성하는 얼음 입자들에 대한 과학자들의 고체화학적 아이디어>

(관련 그림은 첨부파일 참고) 

  NASA의 과학자들은 토성의 위성 타이탄의 옅은 공기층에서 생성된 것으로 보이는 얼음 구름이 과거에 생각했던 것과는 다른 과정을 통해서 생성되었다는 의견이 제기되었다. 이 구름은 지구의 극 지역에서 나타나는 것과 유사할 수 있다고 하였다.

  타이탄의 성층권에 있는 구름들은 디시아노아세틸렌(C4N2)로 알려진 탄소-질소 화합물로 구성되어 있는데 이는 연무를 동반한 주황색 타이탄의 대기의 구성요소이다.

  수 십 년전 NASA의 보이저 1호 탐사선에 탑재된 적외선탑재체가 타이탄의 성층권에서 이러한 얼음구름을 발견한 적이 있었다. 당시 과학자들은 구름을 이루는 입자가 응결되기 위해서 필요한 1% 미만의 디시아노아세틸렌 기체를 검출한 바 있다.

  NASA의 토성탐사선 카시니호도 최근 관측 자료에서 유사한 결과를 얻었다. 카시니 탐사선의 CIRS(적외선 분광기)를 이용하여 연구자들은 매우 높은 고도에 있는 동일한 화학성분의 얼음입자로 이루어진 구름을 발견한 것이다. 이 화학성분은 보이저 1호가 발견했을 당시에는 수증기 형태였으나 CIRS의 연구에서는 발견된 타이탄의 대기가 매우 건조한 상태였다.

  CIRS의 공동연구책임자인 NASA 고다드 비행센터의 캐리 앤더슨 박사는 이러한 얼음구름은 지금까지 알려져왔던 타이탄의 구름 형성과정과는 전적으로 다르다고 하였다.

  전형적인 구름의 형성과정은 응결을 수반하게 되고, 이는 지구에서 물의 증발과 응결이라는 물의 순환과정에 의한 구름 생성이라는 쉽게 이해할 수 있는 과정이었다. 이러한 전형적인 구름생성 과정은 타이탄의 대류권에 있는 구름도 마찬가지이다. 단지 지구에서 물이 응결되는 것이라면 타이탄에서는 메탄이 응결된다는 점만 다르다.

  다른 응결과정이 타이탄 성층권의 북극과 남극의 겨울철에서 발생한다. 이 경우에는 따뜻한 기체가 극 지역으로 이동하여 냉각되면서 하강하여 응결되어 구름을 형성하게 된다.

  이러한 과정들은 어떻게 되었든 수증기가 응결하여 얼음이 되기에 적당한 온도와 압력인 평형점에 도달할 때 구름이 형성된다. 이러한 온도와 압력의 평행상태 때문에 과학자들은 수증기의 양을 계산할 수 있다. 그러나 디시아노아세틸렌에 의해서 형성되는 구름과 관련하여 계산된 바는 없다. 단지 과학자들은 얼음구름이 형성되기 위해서는 CIRS가 관측한 얼음 구름을 형성하기 위한 수증기보다 최소한 100배 이상 더 필요하다는 것만 알아내었다.

  과거에 제기된 해석으로 보이저 탐사선이 관측했을 때에도 수증기가 있었으나 당시 기기의 민감도가 낮아서 검출되지 않았다. 그러나 CIRS도 수증기형태의 이 화학물질을 발견하지는 못했을 때 앤더슨 박사와 동료들은 응결에 의한 구름 형성 대신에 또 다른 종류의 얼음입자인 C4N2 얼음입자 형성에 대해서 생각하였다.

  제안된 구름형성 과정의 첫 번째 단계는 얼음입자 생성과 관련이 있는 시아노아세틸렌(HC3N)으로부터 얼음이 형성되는 것이다. 이들 작은 얼음조각들이 타이탄의 성층권 속에서 하강함에 따라 그것들은 시안화수소로 덮여진다. 이 단계에서 얼음 입자들은 중심핵과 껍질의 두 개의 다른 층으로 나눠지고, 경우에 따라서 자외선의 광자들이 얼어있는 입자의 껍질 안으로 들어와 화학적 반응을 일으키기도 한다. 이러한 반응은 핵이나 껍질에서 시작되어 그 결과물로써 디시아노아세틸렌 얼음과 수소를 생성할 수 있다.

  연구자들은 지구 극지역의 높은 상공에 있는 오존층을 줄어 들게 하는 구름의 생성과정으로부터 이러한 고체화학적 아이디어를 얻었다. 지구의 성층권은 수분이 부족하더라도, 진주운(일명 극지역 성층권 구름)이 생성될 수 있다. 이러한 구름들에서는 대기 중 공해물질에 있는 염소(Chlorine)를 포함하는 화학물질들이 구름 속 얼음입자에 달라붙게 된다.

  앤더슨 박사는 타이탄과 지구 모두에서 서로 유사한 고체 화학과정의 사례를 발견할 수 있다는 것은 매우 흥미로운 일이라고 언급하였다.

  연구자들은 그러한 반응들이 타이탄의 대기에서 동떨어져있는 얼음입자들 내부에서 발생한다고 제안하였다. 이러한 경우에 디시아노아세틸렌 얼음 직접적으로 대기와 접촉할 수 없기 때문에 예상되는 평형상태에 아닌 곳에서 얼음과 수증기가 형성된다는 것이 설명이 된다.

※ 이 글은 아래 링크의 기사를 참조하여 작성하였습니다.

http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6625