시험&논문용<화성 지진학> 화성의 개요, 인사이트랜더의 활약, 지하구조 규명

화성의 지진학을 이해하기 위해 먼저 화성의 개요를 살펴본다. 그리고 미국 NASA의 화성탐사선 인사이트랜더의 활약이 어떠했는지와 탐사활동으로 지각을 포함한 지하구조를 규명해온 과정과 연구내용을 알아본다.

 

화성 지진학에서 화성의 개요

화성은 태양계의 네 번째 행성입니다. 그것은 산화철로 인해 붉은 빛을 띠는 사막 지형을 가지고 있습니다. 지구를 제외한 태양계 전체 행성 중 표면 탐사가 가장 많은 행성으로, 물의 존재 가능성 등이 있어 인류 문명의 우주 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.  화성 표면에 생명체가 존재할 가능성은 과거부터 논의되어 왔지만, 아직 화성에서 생명체가 발견된 적은 없습니다. 애초 평균 표면온도는 지구 남극만큼 낮고 대기는 희박하며 태양풍을 차단하는 행성의 자기장이 약하기 때문에 고등생물에게는 여전히 가혹한 환경입니다. 그리고 생명체가 존재하더라도 미생물일 것입니다. 화성의 자전 주기는 약 24시간 37분으로 지구의 자전 주기와 비슷하며 공전 주기는 약 687일로 지구보다 약 1.88배 더 깁니다. 남극과 북극에는 극관이라고 불리는 거대한 드라이아이스 덩어리가 있는데, 이것들은 여름에는 더 작아지고 겨울에는 더 커집니다. 지구에서 관측할 수 있는 물체들 중, 달, 금성, 목성 다음으로 밝습니다. 표면에 산화철이 많아 붉게 빛나고, 특히 지구에서 육안으로 보면 주황색이어서 다른 천체들과 쉽게 구분됩니다. 왜냐하면 화성처럼 매우 밝게 빛나는 오렌지색 별들은 꽤 드물기 때문입니다. 대기는 이산화탄소, 소량의 질소와 아르곤, 그리고 미량의 산소로 구성되어 있습니다. 놀랍게도 화성 대기 중 산소의 비율은 지구 대기 중 이산화탄소의 비율보다 높지만 화성의 대기압은 0.0063 기압에 불과하기 때문에 생명체가 숨쉬기에는 부적합합니다. 0.0063 기압은 지구상에서 해발 약 80km의 고도에 해당하며, 거의 진공상태여서 공기의 존재를 확인하기가 거의 불가능합니다. 공기가 거의 없기 때문에 평균 기온이 영하 63도로 낮고, 기압이 너무 낮아 물의 끓는 온도가 섭씨 12도에 불과해 물로 구성된 생명체가 살 수 없습니다. 화성의 표면에는 태양계에서 가장 큰 산 중 하나인 올림푸스 화산이 있습니다. 지구의 산과 비교할 수 없는 거대한 화산으로, 최고 높이는 21~26km인 것으로 나타났습니다. 화성에는 포보스와 데이모스라는 두 개의 위성이 있습니다. 두 위성은 모양이 구형이 아니며 평균 반경이 각각 11km와  6km인 지구의 달과는 사뭇 다릅니다.  작은 크기 때문에 지구에서 훨씬 더 멀리 떨어져 있는 토성과 목성의 위성을 발견된 후, 1877년에야  미국의 천문학자 아사프 홀에 의해  발견되었습니다. 

인사이트랜더의 활약 

미국 항공우주국(NASA)의 화성탐사선인 인사이트랜더가 화성 지진 데이터를 처음 직접 관측한 결과 화성의 지각과 지하 모습이 드러났습니다. 국제 과학자들로 구성된 연구팀은 과학저널 사이언스에 인사이트에 탐사 예비 발견 결과를 보고하고 화성 내부 지도 제작에 들어갔습니다. 지진 전문가들은 발표된 이 연구가 화성의 현재 구조에 대한 중요한 제한을 제시하는 동시에 수십억 년 전 형성된 후 시간이 지남에 따라 화성이 어떻게 진화했는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다고 말했습니다. 행성의 핵과 맨틀의 내부 층을 연구하는 것은 행성의 형성과 진화에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다. 지진과 유사한 사건이 발생해 지진파 등의 파동이 행성 본체를 통과하면 이를 측정해 땅속 깊은 곳을 조사하는 것이 가능합니다. 이 방법은 또한 실제 지구의 내부 특성을 조사하는 데 중요한 역할을 합니다. 화성 지각의 평균 두께는 24-72 km입니다. 인사이트 랜더는 2018년 11월 26일 지진 조사와 측지선 및 열 수송을 이용하여 화성 내부를 탐사할 목적으로 화성에 착륙했으며, 지구의 지각 변동과 유사한 여러 개의 임계 지진을 포함한 화성의 지진을 감지하고 기록하기 시작했습니다. 독일 쾰른 대학과 캘리포니아 제트 추진 연구소의  연구원들은 인사이트가 전송한 지진 및 주변 소음을 이용하여 화성의 2~3개 경계에 대한 다층적인 증거를 발견했습니다. 연구팀은 인사이트 착륙지점 아래 지각의 두께는 약 20~39km이고, 이 데이터를 행성 전체에 적용했을 때 화성 지각의 평균 두께는 24~72km라고 주장했습니다. 지진학에서 반사와 굴절과 같은 현상은 광학과 매우 유사하게 관찰될 수 있다고 논문저자는 말했습니다.

 

지하구조 규명

지각에 관한 한, 지각과 맨틀이 서로 다른 암석으로 이루어져 있고 둘 사이에 강한 속도 점프가 있습니다. 이러한 점프를 바탕으로 지각의 구조를 매우 정확하게 결정할 수 있습니다. 궤도 위성에 대한 중력장 측정과 지진 측정의 조합 연구팀의 분석 결과 화성 지각 전체가 이전 화성 표면 측정치나 화성에서 날아오는 운석과 같은 물질로 구성되지 않은 것으로 보입니다. 오히려, 지진 자료는 지각의 맨 위 층이 예기치 않게 다공성 암석으로 구성되어 있고, 더 깊은 곳에는 표면에서 볼 수 있는 현무암과는 다른 종류의 암석이 있을 수도 있다는 것을 암시합니다라고 연구원은 말했습니다. 화성 지각 전체를 촬영하면 화성 궤도를 도는 위성의 선명한 화성 중력장 측정값과 인사이트 착륙장의 지각 두께 측정값을 비교해 지각 전체에 상대적인 차이를 적용해 데이터 조합을 통해 정확한 지도를 만들 수 있습니다. 화성의 지각 구조 데이터는 화성의 진화에 대한 더 정확한 이해를 제공합니다. 이것은 우리 태양계에서 초기 분출 과정이 어떻게 전개되었는지, 그리고 오늘날 화성, 지구, 그리고 다른 행성들이 왜 그렇게 다른지 이해하는데 도움을 줍니다. 철-니켈로 구성된 화성의 핵은 예상보다 밀도가 낮습니다.  스위스 취리히대 지구물리학 연구소의 연구팀은 다른 논문에서 화성 토양에 대한 더 깊은 조사를 발표했습니다. 8개의 저주파 지진에서 발생하는 직접 표면 반사 지진파는 약 800km 깊이의 화성 맨틀 구조를 드러내기 위해 사용되었습니다. 그들의 연구 결과에 따르면, 지표면 아래 약 500km 지점에는 두꺼운 암석권이 위치하고 있으며, 그 아래에는 지구와 마찬가지로 저속층이 존재할 것으로 추정됩니다. 이 연구팀은 화성의 지각에는 열을 발생시키는 방사성 원소가 풍부해 지각을 가열한다고 믿고 있습니다. 게다가, 같은 대학 지구과학부의 다른 연구 팀은 핵과 맨틀 경계에서 반사된 희미한 지진 신호를 사용하여 화성의 중심부로 더 깊이 잠수한 결과를 발표했습니다. 그들은 상대적으로 큰 화성의 액체 금속 중심핵의 반지름이 대략 1830 킬로미터라는 것을 발견했는데, 이 반지름은 표면과 행성의 중심 사이의 거의 중간에서 시작됩니다. 이것은 화성의 맨틀층이 지구와 같은 두 개의 암석층이 아니라 하나의 암석층으로 이루어져 있다는 것을 암시합니다. 연구 팀은 이번 발견을 통해 철-니켈로 구성된 화성의 핵이 이전에 생각했던 것보다 밀도가 낮고 가벼운 원소들이 풍부하다는 사실을 밝혀냈습니다.