Albireo's Hack the Dot

2009년 08월 21일

Maine(미국 동북부에 위치한 주)의 날씨를 일컬어 “9개월의 겨울, 3개월의 보잘 것 없는 여름”이라고들 합니다만 그 혹독함은 토성의 위성 타이탄의 날씨에는 비할 바가 못 될 것입니다. 겨울은 7년 반 동안이나 지속되고 이때 기온은 영하 178도까지 떨어져 땅에는 얼음으로 된 바위로 가득하고, 액체 형태의 메탄/에탄 혼합물로 이루어진 바닷물이 흐릅니다.

행성학자들이 이 유별난 기후에 관심을 두는 것은 당연합니다. 타이탄의 대기는 짙은 탄화수소 안개로 가득차 있는데 대개 질소와 메탄의 혼합물로 이루어져 있습니다. 요사이 지구상의 천문학자들은 적외선 파장을 이용하여 이 두터운 대기를 뚫고 표면을 관측하기 시작했습니다.

8m Gemini North 망원경으로 촬영한 토성과 타이탄의 적외선 이미지. 2009년 5월 7일 촬영된 것으로 Altair adaptive optics 시스템을 사용한 것입니다. 클릭하시면 확대됩니다.

하와이 대학의 Emily Schaller 氏와 로웰 천문대의 Henry Roe 氏가 이끄는 연구팀은 지난 수년 간 타이탄의 기상 변화를 면밀히 관측해 왔습니다. 사실 Schaller 氏의 칼텍 박사 논문 제목 역시 다름아닌, “장기간에 걸친 타이탄의 기후 특성 연구”였습니다. 하와이 Mauna Kea에 위치한 NASA의 3m 적외선 망원경을 이용하여 지난 2.2년간 총 138일 밤을 지새워 가며 타이탄 대기의 구름을 추적해 왔습니다. 1995년과 2004년 이와 같은 메탄 구름이 보고된 바 있습니다. 관측팀은 메탄 구름의 형성이 감지되면 즉각 보다 대형인 Gemini North 망원경으로 자리를 옮겨 적외선 사진 관측을 시작할 계획이었습니다.

타이탄 대기에서 폭풍 구름을 찾아낸다는 것은 만만찮은 일이었습니다. 통상적으로 타이탄 대기에서 구름이 차지하는 비율은 기껏해야 0.3%에 불과할 뿐이었습니다(반면 지구의 경우 평균 65%의 지표면이 구름으로 덮혀 있습니다). 2008년 4월 14일 논문 주제를 정하고 얼마 안되어 Schaller 氏는 타이탄 대기의 한 켠에서 피어나는 무시무시한 폭풍 구름을 찾아 냈습니다. “마치 타이탄이 내게 준 졸업 선물과도 같았어요”, Schaller 氏의 너스레입니다.

2008년 4월~5월 사이에 타이탄 대기에 나타난 거대한 폭풍 구름. 초록색 박스는 첫 폭풍 구름이 나타난, 이번 사건의 중심지인 남위 15도, 서경 250도 지점을 나타냅니다. 첫 폭풍 구름의 발생 이후 연쇄적으로 주변에 다른 구름들이 만들어 지는 현상을 보여주고 있습니다.

그로부터 수주 간에 걸쳐 타이탄의 대기는 흥미로운 장관을 연출했습니다. 허리케인 크기의 폭풍 구름이 남반구 중위도 지역에서 피어나고 얼마 안 있어 좀더 많은 구름 덩어리들이 적도 주변에 나타났는데 이는 전례가 없던 일이었습니다. 연구팀이 8월 13일자 Nature지에서 발표한 논문에 따르면, 타이탄의 열대 지방과 극지방에서 갑자기 폭풍 구름이 동시 다발적으로 형성된 계기는 소위 Rossby 波라 불리우는, 에너지 파장의 강력한 펄스 때문이었을 것이라고 합니다. 마치 잔잔한 연못에 돌을 던지면 파장이 퍼져나가듯, 맨처음 폭풍 구름이 형성된 주변으로 에너지 파장이 천천히 퍼져 나가면서 구름 덩어리들이 추가적으로 만들어졌을 것이라는 가설입니다. 충격파가 기온을 변화시키고 대류 현상의 활성화에 기여하였으리라는 생각입니다.

그렇다면 무엇이 애초에 폭풍 구름의 형성을 야기했던 첫 방아쇠가 되었을까요. 처음 만들어진 폭풍 구름의 발생 지점은 타이탄의 남위 15도, 서경 250도 지점으로서 예전에 Cassini 탐사선이 촬영한 바에 따르면 별다른 특색은 없는 지역이었습니다. 아마도 암모니아와 물의 혼합물이 타이탄의 지표면 위로 용출하였고, 그로 인해 상층부의 대기가 따뜻하고 습해지면서 빠른 시간 내에 폭풍 구름이 형성되었을 것이라는 가설이 있습니다. 지표면의 온도가 약간만 올라가도 그 상층에 폭풍이 만들어지기 충분할 것이라는 연구 결과입니다. Cassini 탐사선이 다음번 타이탄을 방문할 때 이 지점을 유심히 관찰하게 되지 않을까 싶습니다. 갓 용출하여 얼어버린 신선한 물의 얼음으로 뒤덮힌 지형을 보게 될지 모릅니다.

A Tropical Tempest on Titan. Kelly Beatty, Sky&Telescope, August 12, 2009.