화성의 내부 구조

우주학 화성의 내부 구조 대격변등

다른 행성과 마찬가지로 화성도 분화된 천제다. 외관은 인력의 작용으로 공 모양이 되었고, 내부에서는 열로 말미암아 암석이 움직이면서 밀도에 따라 다른 암석층으로 분리되었다. 그 결과 무거운 물질은 가라앉아 핵이 되었고 가벼운 광물은 솟아올라 맨틀과 지각이 되었다.

행성의 크기에 따라 그 생성 과정에서 발생하는 열의 양과 그러한 열을 보존 할 수 있는 능력이 결정된다. 다른 조건이 모두 같다고 가정 할 때 행성의 크기가 클수록 열을 보존할 수 있는 기간도 길어진다. 그동안 내부 태양계이 있는 작은 첮체들의 내부는 차가워지고 단단하게 굳어졌지만 지구는 물론 금성 같은 큰 행성의 내부는 아직도 뜨겁다. 특히 그 핵은 부글부글 끓는 상태다. 이렇게  본다면 화성의 구조는 그 사이에 해당한다.

행성 깊숙한 곳의 내부를 조사하는 일은 매우 어렵다.

그래도 지구는 지질학자들이 지진의 파장을 증폭하여 내부의 층층 구조를 파악할 수 있다. 그러나 화성에  대해서는 이론적 모형과 외부 측정에 의존하는 것 이외에는 내부 구조를 조사할 방법이 없다. 그나마 화성의 위성인 포보스와 데이모스의 공전주기를 토대로 화성의 총 밀량과 밀도를 구할 수 있을 뿐이다. 그렇게 해서 얻은 화성의 밀도는 1세제곱센티미터당 3.93그램으로 지구의 약 70퍼센트에 지나지 않는다. 그래도 최근에는 인공위성이 얻은 정확한 측지 자료로 화성 내부와 표면의 질량 분포도를 작성할 수 있게 되었다.

이를 통해 화성의 내부 구조가 지구와 조금 다르다는 사실을 알수 있었다. 화성의 핵은 지름이 3,590킬로미터로 지구 지름의 절반 정도이지만 질량과 밀도는 지구보다 작다. 지구 핵의 구성 성분은 철과 니켈로 추정되는데, 화성의 핵은 주로 철로 이루어졌고 약 16퍼센트가 가벼운 물질인 황으로되어 있다고 한다. 핵을 감싸는 맨틀은 지구 내부와 마찬가지로 규산염이 주성분이지만 지구보다는 철함량이 높은 것으로 보인다. 이는 화성 표면에 있는 암석과 운석의 구성 성분을 토대로 추측한 것이다. 맨틀 내부의 화산용암이 분출하여 만들어진 것이 화석이기 때문이다.

그러나 화성의 정확한 성질은 아직도 수수께끼로 남있다. 이를 밝혀낼 중요한 실마리가 화성에 자기력이 거의 없다는 사실일지도 모른다.

오늘날 화성은 지구와 달리 강력학 자기장이 분포하지 않는다. 그러나 표면 암석에 함유된 철에는 약하지만 자기력이 있다. 그러한 자기 입자가 배열된 패턴을 통해 암석이 액체에서 고체로 냉각된 직후에는 화성 곳곳에 자기장이 존재했음을 추측할 수 있다. 이에 따라 2000년대 초반까지만 해도 다음과 같은 주장이 대세였다. 즉 화성의 핵이 액체 상태이던 생성 초기만 해도 지구처럼 자기장이 있었으나 핵이 차가워지고 단단하게 굳어짐에 따라 사라졌다는 애기다.

그러나 이처럼 깔끔한 이론은 화성 탐사선인 마스글로벌 서베이어가 전송한 측지 자료로 흔들리기 시작했다. 이 우주선의 장비는 화성이 자전하는 동안 발생하는 조석력 때문에 표면이 살짝 휘어지는 현상까지 측정할 정도로 감도가 높았다. 위성의 크기가 작고 바다도 없는 화성의 조석력은 지구에 비할수 없을 정도로 미약하여 만조와 간조 차이가 1센티미터를 조금 웃돌 뿐이다. 그러나 고체로만 된 행성이라기에는 높은 수치다. 이처럼 미약하게나마 조석력이 있다는 사실을 통해 우리는 화성 내부에 아직도 액체로 된 핵이 존재하여 화성 자체도 유동적인 성질을 가지고 있으리라 추측할 수 있다.

그 이후, 일종의 모의실험이 이루어졌다. 

화성의 핵과 조성이 같은 철, 황 혼합물에 화성 내부와같이 극도로 높은 압력과 온도를 가할 떄 어떻게 반응하는지 살펴보는 실험이었다. 그 결과 화성의 핵이 액체라는 주장이 힘을 얻었다. 철.황 혼합물은 철. 니켈 혼합물보다 녹는점이 상당이 낮다. 이러한 특성이 화성 암석에 있는 방사능 원소의 붕괴와 결합함으로써 화성 내부는 지난 45억년 동안 우리의 예상보다 높은 온도를 유지할 수 있었을지도 모른다. 

강한 자기장이 없는 이유는 아직도 밝혀내지 못했지만, 이 역시 화성의 핵이 지구와 달리 완전한 약체 상채라고 보면 설명이 된다. 우리가 사는 지구의 외핵은 액체, 내핵은 고체 상태다. 이러한 배열이 발전기 역할을 하여 지구에 자기장을 만들어내는 것일 수도 있다.

* 마스 글로벌 서베이어의 자기 탐지기가 측정한 자료에 따르면 화성에는 약한 자기장이 여기저기 흩어져 있다. 군데군데 자기장이 있지만 지구와같이쌍극 패턴이 균일하게 분포된 것이 아니란 애기다. 이로써 한때는 화성 내부에도 자기력을 만들어내는 일종의 발전기가 있었으나 오래전에 활동을 멈추었다는 주장이 힘을 얻었다.

용어

1. 지각 : 화성의 지각은 주로 화산성 현무암으로 이루어졌는데 대부분이 불그스래한 산화철 먼지로 뒤덮여 있다.

2. 핵 : 화성의 핵은 철. 니켈, 황이 혼합된 상태로 4,000도에 달하는 고온이다.

3. 상부 맨틀 : 모의 실험에 따르면 화성의 상부 맨틀은 주로 일반 광물인 감람석과 취석으로 이우어졌다.

4. 하부 맨틀 : 압력과 온다가 높은 맨틀의 안쪽에서는 스파넬과 메이저라이트가 형성된다.

   - 스파넬 : 마그네슘, 알루미늄, 산화염으로 된 광물로 첨정석이라고도 한다.

   - 메이저라이트 : 마그네슘, 철, 알루미늄으로 된 규산염.

5. 지구와 다른 점

 연구에 따르면 화성의 맨틀은 지구에 비해 철의 비율이 높지만 핵은 지구에 비해 철의 비율이 낮은 것으로 보인다.

지난 10년간 나온 연구 결과에 따르면 태양계의 탄생역사는 우리가 알고 있는 것보다훨씬 더 역동적이다. 특히 화성이 중요한  역할을 했음이 드러났다. 2004년 처음 발표된 나스 모형에 따르면, 태양계의 4대 행성은 현재 위치보다 태양과 훨씬 더 가까운 곳에서 생성되었다. 목성은 현재의 소행성대 한가운데서 탄생한 다음 나선을 그리며 안쪽으로 이동했다. 

그러는 동안 주위 물질을 흡수하면서 화성의 성장을 방해했다. 그 후 대형 행성들은 다시 바깥쪽으로 회전하면서 이동했다. 그러다 40억년쯤 전 천왕성과 해왕성이 거대한 구름 형태의 카이퍼대를 교란히키기 시작했다. 태양계의 해왕성 바깥쪽 경계에서 형성되었으며 주로 얼음과 운석으로 된 카이퍼대 천체가운데 상당수는 태양계로부터 완전히 떨어져 나갔다. 

 그런데 일부는 탄생한 지 얼마 안되는 내행성 쪽으로 튕겨 나가 그 표면으로 쏟아져 내렸다. 이 사건을 후기운석 대충돌이라 부른다. 약 38억년전에는 이런한 내행성의 궤도가 어느 정도 안정을 찾았고 후기 운석 대충돌도 찾아들면서 카이퍼대는 거의 텅빈 상태가 되었다. 

앞으로 보겠지만 이러한 대격변은 화성에 지형이 만들어지고 대기가 발생하는 계기가 되었다. 그뿐만 아니라 화성의 궤도를 만드는 데에도 중요한 역할을 했다.그 결과화성은기후와 토양에 영향을끼치는 기나긴 순환 주기의 지배를 받게 되었다.