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토성에 부는 거대 폭풍은 왜 수십 년에 한번 밖에 발생하지 않는 것일까. 이처럼 ‘폭풍 전야’가 매우 긴 토성의 대기 현상에 얽힌 수수께끼를 과학자들이 마침내 해명했다.
아름다운 고리를 지닌 거대 가스 행성인 토성에는 20~30년에 한번 주기로 ‘대백점’이라는 거대 폭풍이 발생해 수개월 동안 맹위를 떨친다. 내부에서 발생하는 번개 때문에 하얗게 보여 대백점이라고 이름 붙여진 이 폭풍은 지구 지름보다 클 정도로 매우 거대해 지구에서도 망원경으로 볼 수 있다.
이런 엄청난 규모로 천문학자들의 관심을 끈 대백점은 지난 150년간 단 6번밖에 관측되지 않았다. 이 때문에 대백점의 발생 빈도는 지금까지 수수께끼였다.
이런 현상에 대해 미국 캘리포니아공과대(캘테크) 앤드루 잉거솔 교수와 쳉 리 연구원이 이끈 연구팀이 토성 대기 가운데 포함된 수증기로 이런 놀라운 작용을 설명할 수 있다고 발표했다.
연구팀의 논문에 따르면, 토성의 대기는 지구와 마찬가지로 성질이 다른 층으로 구성돼 있는데 일반적으로 구름이 형성된 ‘외층’의 밀도는 토성의 중심에 이르는 ‘구름 하층’보다 낮다. 수면에 떠있는 기름처럼 밀도가 낮은 ‘외층’에는 수소와 헬륨이, 물 등의 분자가 주성분인 고밀도의 혼합 대기인 ‘구름 하층’ 위에 올라있는 상태인 것이다.
토성의 외층은 폭풍을 발생시키는 데 필요한 과정인 ‘하단의 더 따뜻한 공기가 상승’하고 ‘냉각’돼 ‘응축’되는 것을 막는다. 따라서 안정된 대기 상태가 장기간에 걸쳐 유지된다는 것이다.
하지만 이처럼 아주 긴 ‘폭풍 전야’ 동안 외층의 대기는 우주 공간에 열을 방사하고 점차 기온이 내려가 결국 밑에 있는 구름 하층보다 밀도가 높은 상태가 된다. 이에 따라 두 층의 균형이 무너져 하단에 갇혀 있던 따뜻한 공기가 외층으로 넘쳐 나오는 것이다.
이렇게 혼합된 대기는 다른 분자보다 무거운 물 분자를 포함한다. 이 거대한 폭풍에서 비로 떨어지는 것으로 원래의 평형 상태를 회복해 평온한 날씨로 되돌아가는 방식인 것이다.
쳉 리 연구원은 “행성이 어느 정도의 속도로 우주 공간에 열을 방사하고 냉각되는 것은 시간 단위에 따라 결정된다. 토성은 거대한 대기권을 가지고 있으므로 냉각에는 수십 년이 걸린다”고 밝혔다.
연구팀은 이번 연구를 위해 지구의 날씨에 사용하는 것과 유사한 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하고 검증을 위해 토성 궤도 탐사선인 카시니호의 관측 데이터를 사용한 시뮬레이션 결과와 비교했다.
이번 연구성과는 세계적 학술지 ‘네이처’ 자매지 ‘네이처 지오사이언스’(Nature Geoscience) 13일 자에 발표됐다.
사진=NASA
윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr
