한국항공우주연구원

NASA 연구진이 토성의 위성인 타이탄의 높은 고도에서 지구 극지방 상공에서 특별하게 발견되는 구름과 비슷한 메탄 얼음 구름을 발견하였다. NASA의 카시니 탐사선에 의해 촬영된 이 구름은 타이탄 북극 상공에 집중되어 겨울에 나타나는 캡의 일부분이다. 이 신비한 대기 솜털에 주목한지 8년이 지난 현재, 연구진은 이 구름에 메탄 얼음이 함유되어 기존에 알려진 에탄 얼음보다 더 밀도가 높다는 사실을 밝혀냈다.

 
NASA의 고다드 우주비행센터의 앤더슨은 메탄 구름이 이렇게 높은 고도에서 형성된다는 사실은 처음 알려진 것이라고 전한다. 메탄이 타이탄의 제일 낮은 대기층인 대류권에 존재한다는 사실은 이미 알려졌다. 지구의 비와 눈구름같이 이런 구름들은 지표에서 나온 수증기가 점점 낮은 온도인 고도로 올라갔다가 강수로 다시 내려오는 증발 및 응결 과정을 통해 형성된다. 타이탄에서는 물 대신 메탄 증기가 그 역할을 한다.

새로 발견된 이 구름은 대류권 대신 그 위층인 성층권에서 발달한다. 지구의 북극과 남극 상공 15-25 km(비행기가 운항하는 고도 위쪽) 사이에 간혹 기온이 영하 78도로 이하로 떨어지면 성층권 구름이 발생한다. 타이탄에서 발견된 다른 성층권 구름은 매우 얇고 에탄으로 된 퍼진 구름으로 메탄이 화학적으로 분해되어 형성된다. 메탄 부산물과 질소분자의 반응으로 형성된 시아노아세틸렌과 수소시안화물로 이루어진 희박한 구름도 발견되었다.

그러나 타이탄 성층권에 메탄구름이 존재할 것이라고 예상되지 않았다. 대류권이 대부분의 수분을 붙잡고 있어서 성층권 구름은 매우 추워야 형성된다. 카시니가 적도 바로 남쪽을 측정했을 때 성층권 온도가 영하 203도 이었으나 얼음으로 밀집된 대기권에서 매우 희박한 메탄이 얼기에는 충분하지 않다.

앤더슨과 고다드의 공동저자인 사뮤엘슨은 타이탄의 성층권 하부 온도가 모든 위도에서 같지 않다는 것을 알았다. 카시니 적외선 분광기와 전파 측정기로 얻은 자료는 북극 근방 높은 고도의 기온이 적도 바로 남쪽 보다 더 낮다는 것을 보여준다. 두 지역의 온도차가 섭씨 6도 정도로 메탄얼음이 생기기에 충분히 낮다.

구름의 초기 관측에서는 에탄얼음으로 이루어진 작은 입자들과 일치했다. 이후 관측을 통해 몇몇 지역은 덩어리지고 밀집되어 하나 이상의 얼음이 존재한다고 제안되었다. 연구진은 더 큰 입자들이 메탄 얼음과 사이즈가 같고 적지 않은 양의 메탄이 극지방 성층권 하부에 존재한다는 것을 확인하였다.

높은 고도에서 발생하는 구름의 기작은 대류권에서 발생하는 것과는 달라 보인다. 타이탄은 여름반구 지표에서 상승한 따뜻한 공기가 성층권으로 유입되어 겨울 극지방을 서서히 채우는 전구적인 순환패턴을 갖는다. 공기는 다시 가라앉으면서 온도가 내려가 성층권 메탄구름을 형성하게 된다.  지구의 성층권 구름처럼 이 메탄구름은 위도가 65도 이상인 겨울 극지방 부근에 위치했다. 앤더슨과 사뮤엘슨은 하강으로 인해 형성되는 메탄구름 또는 SIMCs라고 부르는 이런 종류의 구름이 타이탄 지표에서 30-50 km 사이의 고도에서도 발생할 수 있다고 추정한다. 이 결과는 ICARUS 저널에 발표되었다.

[그림] 타이탄의 북극 성층권 구름 영상으로 지구 극지방 성층권 구름과 비슷하다
(이미지제공: NASA/JPL/University of Arizona/LPGNantes).

※ 이 글은 아래 링크의 기사를 참조하여 작성하였습니다.
   출처: http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4354