화성 - 인간이 살 수 있을까?

화성은 태양계에서 태양에 가까운 쪽에서 4번째로 가까운 행성이며 태양계 내에서 수성보다 크고 두 번째로 작은 행성입니다. 영어에서 화성은 로마 신화에 나오는 군신의 이름을 따서 '붉은 행성(Red Planet)'이라고도 불립니다.

개요

화성은 대기가 얇은 지구형 행성으로, 달의 충돌  크레이터나 지구의 계곡, 사막, 극지방의 빙하를 연상시키는 표면 형태를 가지고 있습니다. 일명 적색행성이란 화성 표면에 존재하는 산화철의 영향으로 육안으로 볼 수 있는 천체 중 유일하게 붉은색을 띠는 외관을 가진 것을 말합니다.

또한, 자전 주기와 황도면에 대한 자전축의 기울기가 비슷해 하루의 길이와 계절은 지구와 비슷하다. 화성에는 태양계에서 가장 큰 화산이자 가장 높은 산으로 알려진 올림프스 산과 태양계에서 가장 큰 협곡 중 하나인 마리넬리스 협곡이 있습니다. 북반구에 있는 매끈한 보레아리스 분지는 화성의 40%를 차지하며, 거대한 충돌 현상이 일어날 가능성이 있습니다. 화성에는 포보스와 다이모스라는 두 개의 위성이 있는데, 작고 불규칙한 모양을 하고 있습니다. 이들은 화성의 트로이아 그룹인'5261 Eureka'와 마찬가지로 포획된 소행성일 가능성이 있습니다. 

화성은 여러 무인 탐사선에 의해 탐사되고 있으며, 1964년 11월 28일 NASA가 발사한 마리너 4호는 1965년 7월 15일 화성에 가장 가까이 접근한 최초의 화성 방문 우주선입니다. 마리너 4호는 지구의 약 0.1%에 불과한 화성의 약한 방사선 띠를  감지해 심우주에서 다른 행성을 촬영한 최초의 영상이 되었고 소련의 화성 탐사선 '마르스 3호'는 착륙선을 싣고 1971년 12월에 연착륙에 성공했으나 터치다운 몇 초 후 연락이 끊겼습니다. 1976년 7월 20일, '바이킹 1호'가 처음으로 화성 표면에 착륙에 성공했습니다. 1997년 7월 4일, 화성 탐사선 '화성 패스파인더'가 화성 탐사선 'Mars Pathfinder'가 화성에 착륙했고, 7월 5일에는 화성에서 활동한 최초의 로봇 로버'Sojourner'를 발사했습니다. 2003년 12월 25일, 유럽우주국(ESA)이 최초로 화성을 방문한 탐사선 'Mars Express'가 궤도에 도착했습니다. 2004년 1월에는 스피릿과 오퍼튜니티로 명명된 NASA의 화성 탐사 로버가 모두 화성에 착륙하여 스피릿은 2010년 3월 22일까지, 오퍼튜니티는 2018년 6월 10일까지 활동하였습니다. 화성 기후와 지질을 조사하는 화성과학연구소(MSL) 임무의 일환으로 탐사선 큐리오시티를 착륙시켰고, 2014년 9월 24일 인도우주연구기구(ISRO)의 첫 행성 간 탐사선인 화성 궤도선 미션이 궤도상에 도착하여 화성을 방문한 4번째 우주 기관이 되었습니다. 아랍에미리트는 2021년 2월 9일 화성 탐사선을 화성 대기권에 투입해 화성 탐사선을 성공적으로 발사한 5번째 우주 기관이 되었습니다. 또한 나사의 탐사선 '파사비어넌스'가 2021년 2월 18일 화성에 성공적으로 착륙했습니다.

화성의 과거 거주 가능성과 현존하는 생명체 존재 가능성을 평가하기 위한 조사가 진행되고 있습니다. 유럽우주국의 로잘리드 프랭클린 로버와 같은 천체생물학 임무가 계획되어 있었습니다. 화성의 기압은 지구의 1% 이하로 낮기 때문에 화성의 지표면에는 액체 상태의 물이 존재하지 않으며 두 극지방의 빙하는 대부분 물로 이루어져 있다고 합니다. 남극의 빙하가 녹으면 행성 표면을 11m 깊이까지 덮을 수 있는 물의 얼음의 야. 2016년 11월, 나사는 유토피아 평원 지역에서 대량의 지하 얼음을 발견했다고 보고했습니다. 검출된 물의 양은 스페리올 호수의 물의 양과 맞먹는 것으로 추정됩니다. 

화성은 붉은 색조처럼 지구에서 육안으로 쉽게 볼 수 있습니다. 화성의 겉보기 등급은 -2.94로 금성ㅅ, 달, 태양 다음으로 밝습니다. 지상의 광학 망원경으로는 지구 대기의 영향을 받아 지구와 화성이 가장 가까워졌을 때 300㎞ 정도의 크기만 볼 수 있습니다. 

 

물리적 특성

화성은 지구형 행성으로 분류되는 이른바 단단한 암석 지표를 가진 행성입니다. 화성에는 바다가 없고 산화철을 다량 함유한 붉은 지표면이 펼쳐져 있습니다. 반지름은 지구의 약 2분의 1, 질량은 지구의 10분의 1이며, 화성 표면의 중력 강도는 지구의 40% 정도입니다. 화서의 표면적은 지구 표면적의 약 4분의 1로, 이는 지구 육지 면적과 거의 같습니다. 화성의 자전주기는 지구의 자전 주기와 매우 비슷하며 화성의 하루는 24시간 39분 35.244초입니다. 또한 지구와 마찬가지로 자전축을 태양에 기울인 채 공전하고 있기 때문에 화성에는 계절이 존재합니다. 

 

질량

화성의 대기는 희박하며, 지표면의 대기압은 약 750Pa로 지구의 평균값의 약 0.75퍼센트에 불과합니다. 반대로 대기의 두께로 나타내는 스케일 하이트는 약 11㎞에 달해 약 6㎞인 지구보다 높습니다. 이는 모두 화성의 중력이 지구보다 약하기 때문입니다. 대기가 희박해 열을 보유하는 작용이 약해 표면 온도는 최고 약 20ºC 정도입니다. 대기의 구성은 이산화탄소가 95퍼센트, 질소가 3퍼센트, 아르곤이 1.6퍼센트이며 그 외에 산소와 수증기 등 미량 성분을 포함하고 있습니다. 그러나 화성 대기의 상층부는 태양풍의 영향을 받아 우주 공간으로 유출되고 있다는 것이 소련의 무인 화성 탐사선 포보스 2호에 의해 관측되었습니다. 따라서 위의 화성의 대기압과 대기 성분은 장기적으로 볼 때 변화하고 있을 가능성이 있으며, 앞으로도 변화할 가능성이 지적되고 있습니다.

2003년 지구에서 망원경을 통한 관측으로 대기에 메탄이 포함되어 있을 가능성이 제기되었고, 2004년 3월 Mars Express 탐사선의 조사를 통한 대기 분석으로 메탄의 존재가 확인되었습니다. 

현재 관측된 메탄의 양은 평균적으로 부피 대비 약 11±4ppb입니다.

화성의 환경에서 불안정한 기체인 메탄의 존재는 화성에 메탄의 가스 공급원이 존재한다는 흥미로운 사실을 시사합니다. 가스 발생원으로는 화산활동이나 혜성 충돌, 또는 메탄균과 같은 미생물의 형태로 생명체가 존재할 가능성 등이 거론되고 있지만, 모두 미확인된 상태입니다. 지구의 바다에서는 생물에 의해 메탄이 생성될 때 동시에 에탄도 생성되는 경향이 있습니다. 한편, 화산 활동으로 배출되는 메탄에는 이산화황이 동반됩니다. 메탄은 화성 표면 곳곳에 국부적으로 존재하는 것으로 보이는데, 이는 발생한 메탄이 대기 중에 균일하게 분포하는 것보다 단시간에 분해되고 있음을 시사합니다. 따라서 아마도 지속적으로 대기 중으로 방출되고 있을 것으로 추측됩니다. 어떤 발생원 가설이 유력한지 추정하기 위해 메탄과 동시에 방출되는 또 다른 가스를 검출하는 계획도 현재 진행 중입니다. 

화성의 대기는 변화무쌍한 면이 있습니다. 겨울 몇 달 동안 극지방에서 밤이 지속되면 지표며는 매우 낮아져 전체 대기의 25퍼센트가 응고되어 수 미터 두께의 이산화탄소 얼음(드라이아이스) 층을 형성합니다. 그러다 극지방에 다시 햇빛이 비치는 계절이 오면 이 이산화탄소 얼음이 승화되어 시속 400㎞에 달하는 강풍이 극지방에 불어옵니다. 이러한 계절적 활동으로 대량의 먼지와 수증기가 운반되어 지구와 유사한 서리와 대규모의 소용돌이가 발생합니다. 이러한 물얼음으로 이루어진 구름 사진이 2004년에 오퍼튜니티에 의해 촬영된 바 있습니다. 또한 남극에서 이산화탄소가 폭발적으로 분출한 흔적이 화성 오디세이에 의해 촬영되었습니다. 

화성은 짧은 시간 척도에서는 온난화되고 있다는 증거도 발견되고 있으나 21세기 초의 화성은 1970년대보다 더 춥습니다. 화성의 질량은 지구의 11%이고, 지구보다 태양으로부터 멀리 떨어져 있지만, 기후 변화, 관측 가능한 기후 패턴 등 측면에서 중요한 공통점을 가지고 있습니다. 

 

온도

화성의 유효온도는 영하 56ºC이며, 실제 온도의 영하 53ºC와 거의 차이가 없는 것은 이산화탄소가 0.006기압이고 수증기도 거의 존재하지 않아 온실효과가 약하기 때문입니다.

 

관측

16세기 덴마크의 천문학자 티모 브라헤는 지구를 중심으로 태양(화성 등 행성은 태양을 주임으로 돌고 있다)이 돌고 있다는 변칙적인 천동설을 주장했지만, 육안으로 화성의 궤도를 가장 정밀하게 관측했습니다. 티코의 조수였던 요하네스 케플러는 스승이 죽은 후 관측 데이터를 분석하여 행성의 궤도가 원이 아닌 타원형이며, 나아가 화성의 궤도에서 다른 행성의 궤도도 타원형이며 케플러의 법칙을 따른다는 지동설을 주장하였습니다. 공전 속도가 빨라 관측하기 쉬운 화성의 궤도 이심률이 0.0934로 명왕성, 수성 다음으로 컸던 것도 운이 좋았습니다.

1877년 화성 대접근과 스키아팔렐리의 발표로 시작된 화성 운하설에 심각한 의문을 제기한 것은 에지워스-카이퍼 벨트의 주창자 중 한 명인 카이퍼로, 1947년 화성을 적외선 대역으로 관측해 대기의 구성 성분이 이산화탄소라고 주장했습니다. 지구 대기의 중요한 성분인 질소 산소, 수증기의 흔적은 찾아볼 수 없었고, 문명을 가진 화성의 존재는 거의 부정되었습니다. 

지구는 780일마다 화성을 추월하며, 이때의 거리는 약 8000만㎞(약 4광년)까지 접근합니다 하지만 화성의 궤도가 타원형이기 때문에 최접근 시 거리는 달라집니다. 화성의 근일점 부근에서 접근하면 접근 거리는 5600만㎞ 정도이지만, 원일점 부근에서 접근하면 1억㎞ 정도로 2배 가까이 차이가 납니다. 육안으로 관측할 때 화성은 보통 다른 별과 확연히 다른 노란색 또는 주황색이나 붉은색으로 보이며, 궤도를 공전하면서 지구에서 보는 다른 행성들보다 밝기가 크게 변합니다. 이는 화성이 지구에서 가장 멀어질 때는 가장 가까워질 때보다 7배 이상 거리가 멀어지기 때문입니다. 또한 태양과 같은 방향에 있는 합 전후 몇 달 동안은 태양빛에 가려 보이지 않을 수도 있습니다. 관측에 가장 적합한 시기는 32년마다 2번, 15년과 17년을 주기로 번갈아 가며 찾아오는데 이를 '대접근'이라고 합니다 이 시기는 항상 7월 말에서 9월 말 사이가 됩니다. 이 시기에 망원경으로 화성을 보면 표면의 다양한 모습을 자세히 볼 수 있습니다. 저배율로도 보이는 특히 눈에 띄는 특징은 극관입니다.

2003년 8월 27일 9시 51분 13초에 화성은 지난 60,000년 만에 가장 가까운 5,575만 8,006㎞까지 지구에 근접했습니다. 이번 대접근은 화성의 근일점 통과 3일 후가 화성충돌의 다음날과 겹쳐 지구에서 화성을 특히 잘 볼 수 있게 됐습니다. 

그 이전에 가장 근접한 시기는 기원전 57617년 9월 12일로 계산되고 태양계의 중력 계산을 상세히 분석한 결과, 2287년에는 2003년보다 더 가까운 접근이 이루어질 것으로 계산되었으나 정확히 살펴보면, 이 기록적인 대접근은 284년마다 4번씩 일어나는 또 다른 대접근보다 아주 조금 더 가깝다는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어 2003년 8월 24일의 최접근은 0.37278au입니다.

2084년 11월 10일에는 화성에서 본 지구의 태양면 통과가 일어납니다. 이때는 태양과 지구, 화성이 일직선상에 놓이게 됩니다. 마찬가지로 화성에서 본 수성과 금성의 태양면 통과도 일어납니다. 화성의 위성인 다이모스는 화성에서 본 각 지름이 태양보다 충분히 작기 때문에 다이모스에 의한 부분일식도 태양면 통과로 볼 수 있습니다. 

1590년 10월 13일에는 금성에 의한 유일한 화성일식이 발생했으며, 독일 하이텔베르크에서 메스트린에 의해 관측되었습니다. 

 

화성 기원의 운석

지구에서 발견된 것들 중 운석임이 확실하고 화성에 기원을 둔 것으로 추정되는 암석들이 몇 개 알려져 있습니다. 1996년 8월 6일 NASA는 화성 기원으로 추정되는 'ALH84001' 운석을 분석한 결과 단세포 생명체 화석으로 추정되는 특징이 발견됐다고 발표했으나 이 해석은 여전히 논란의 여지가 있습니다. 

'Solar System Research' 2004년 3월호에 실린 논문은 예멘에서 발견된 카이돈 운석이 화성의 위성 포보스에 기원을 두고 있을 가능성을 시사하고 있습니다. 

2004년 4월 14일 NASA는 Opportunity가 조사한 "Bounce"라는 이름의 암석이 1979년 남극에서 발견된 운석 "EETA79001 - B"와 유사한 성분을 가지고 있다고 밝혔습니다. 이 암석은 이 운석과 같은 분화구에서 날아왔거나 화성 표면의 같은 지역에 다른 분화구에서 날아왔을 가능성이 있습니다.