토성의 날씨와 계절

태양계에서 두 번째로 큰 행성인 토성은 멋진 고리와 흥미로운 위성들로 잘 알려져 있습니다. 그러나 기만적으로 평온한 외양과 달리, 토성은 폭풍과 거친 기상 현상들이 가득한 매력적인 곳입니다.

 

토성은 외행성 중 두 번째로 큰 행성으로 목성 지름의 대략 80% 정도이지만, 그 무게는 1/3밖에 되지 않습니다. 목성과 마찬가지로 토성 역시 대부분 수소와 헬륨으로 이뤄져 있고 다른 원소들의 흔적이 약간 있는데, 이 둘의 주된 차이점은 토성의 낮은 밀도(물보다 낮은 평균 밀도)입니다. 그 결과 토성은 중력이 약하고 적도 주위가 눈에 띄게 불룩한 경향이 있습니다. 토성은 또한 태양으로부터 매우 적은 양의 열을 받는데, 그 결과 구름 꼭대기의 평균 온도는 30도 정도 더 낮은 섭씨 영하 153도 정도입니다.

 

이렇게 온도가 낮으므로 목성의 차갑고 고도가 높은 띠에서만 형성되는 뿌연 흰색의 암모니아 구름이 토성 전체를 둘러싼 높은 세피아 색 연무 층을 만들어 내며, 오랫동안 이 연무는 천문학자들이 토성의 대기에서 볼 수 있는 모든 것이었습니다. 중요한 기상 특징의 첫 번째 증거는 1876년 미국의 천문학자 아사프 홀이 대기에서 거대한 백반을 발견하면서 나왔습니다. 그 이후로 유사한 점들이 규칙적인 간격으로 관찰되었지만, 수십 년 전부터야 비로소 지상 망원경의 발달과 몇몇 우주 탐사 계획 덕분에 천문학자들은 토성의 날씨를 자세하게 연구할 수 있었습니다.

 

날씨 띠와 계절

다른 거대 행성들처럼 무엇보다 중요한 토성의 기상 체계 구조는 행성 전체를 감싸고 있는 적도와 평행한 연속적인 띠들입니다. 토성의 띠들은 밝은 존과 어두운 벨트로 나누어지는데, 목성의 띠에 비해서 더 넓고 덜 뚜렷합니다. 이것들은 고요해 보이지만, 시속 1,800km에 이르는 우세풍들이 이곳에서 서로 반대 방향으로 불고 있습니다. 띠들은 지구의 순환 셀과 같은 방식으로, 즉 따뜻한 공기가 적도 근처에서 상승하여 극지방 근처에서 가라앉는 대류를 통해서 형성됩니다.

 

지구와 마찬가지로 토성의 회전축은 약간 기울어져 있어서 지구의 계절과 유샤한 패턴을 만들어 냅니다. 특정 반구에서 그 극점이 태양 반대편으로 기울어지는 겨울 동안에는,  낮은 태양광 효과가 행성을 가로지르는 고리들의 그림자에 의해 더 복잡해집니다. 고리에 있는 미세한 입자들이 지구 대기의 공기 분자들이 하는 것과 유사한 방식으로 태양광을 산란시키며, 그 결과 겨울 반구의 색깔은 푸른 색조를 띠게 됩니다. 

 

백반과 용의 폭풍

토성에는 목성의 대적반에 견줄 수 있는 반영구적인 폭풍은 없는 것처럼 보이지만, 대신에 정기적으로 거대한 백반들을 만들어냅니다. 이 백반들은 1876년부터 대략 30년마다 관측되었는데, 영국의 아마추어 관측가이자 코미디언인 윌 헤이에 의해 발견된 1933년의 폭풍이 최근까지 발견된 것 중 가장 눈에 띄는 것입니다. 그것들은 지구 폭풍의 익숙한 저기압 기상 패턴이 아니라 고기압 지역으로 보이며, 일반적으로 북반구가 한여름일 때 나타납니다. 백반들은 복잡한 순환 주기를 따르는데, 적도 부근에 강한 폭풍이 존재하고 27년 뒤에 북반구의 온화한 지역에서 약한 폭풍이 생기고, 그 후 그다음 적도 폭풍이 나타날 때까지 대략 30년의 틈이 존재합니다.

 

이 순환 주기 속에서 가장 최근에 나타난 것은 1990년이었지만, 현재 토성의 날씨는 예측하기 힘들어지고 있습니다. 밝은 구름의 추가 발생이 1994년과 2006년에 관측됐지만, 2010년 오스트레일리아의 아마추어 관측가인 앤서니 웨슬리가 행성의 북반구 중위도 근처에서 급속히 퍼지는 환상적인 물결 모양의 폭풍을 발견했습니다. 이러한 활동은 고기압 지역보다는 저기압 지역들, 그리고 최근에 토성의 대기에서 탐지된 회전하는 전기 폭풍들과 관련이 있을지도 모릅니다.

 

이러한 '용의 폭풍'은 2004년에 처음 발견됐습니다. 카시니 우주 탐사선이 토성에 접근함에 따라 거기에 탑재된 전파 플라스마 파동 과학 장치가 토성으로부터 강한 전파가 폭발되어 나오는 것을 감지했습니다. 카시니의 카메라는 마침내 그 폭발 위치로 번개의 꼭대기 부분과 유사한 고고도의 흰 구름을 지목했습니다. 토성은 지구와 마찬가지로 따뜻한 공기의 상승에 의한 뇌우를 가지는 것으로 보이며, 토성의 번개는 지구 번개의 1만 배 정도의 에너지를 동반합니다.

 

2004년의 용의 폭풍은 사라지기 전까지 한 달 정도 지속됐지만, 유사한 폭풍들이 2006년, 2008년 그리고 가장 인상적으로 2010년에 다시 발생했습니다. 어떤 천문학자들은 이 모든 것들이 활동기와 휴지기를 갖는 단 하나의 폭풍의 발현일지도 모른다고 생각합니다.

 

극지방의 구조

카시니는 토성의 극점 근처의 기상에 대한 흥미로운 것들을 발견하기도 했습니다. 북극은 거대한 육각형 패턴으로 둘러싸여 있는데, 이는 보이저 탐사선에 의해 처음으로 발견됐지만, 카시니 탐사선이 처음으로 자세한 사진을 찍었습니다. 6개 변들 각각은 길이가 거의 1만 4천 km이고, 전체 구조는 행성과 같은 회전율을 가집니다. 

 

즉 토성의 구름 그 자체의 속도와는 다른 속도로 회전하는 것입니다. 이에 대한 한 가지 가능한 설명은 그 구조가 대기 중에 있는 서로 간섭하는 기류에 의해 형성된 고정된 파동이라는 것입니다. 다른 가설에 의하면 그것은 행성의 자기장과 관련 있는데, 그 이유는 발광하는 오로라가 상층 대기에서 직접 그 위에 집중되기 때문입니다.

 

흥미로운 것은 남극에 걸려 있는 거대한 허리케인입니다. 지름 8천km의 이 폭풍은 다른 행성의 허리케인에 비해 독특한데,  그 이유는 75km 높이의 구름 벽으로 둘러싸인 눈을 그 중심부에 갖고 있기 때문입니다. 허리케인의 눈은 지구의 허리케인에서의 구조와 매우 유사하며, 이는 이 남극의 허리케인 역시 저기압 지역이라는 것을 의미합니다. 이 이상한 특징은 그 지역의 유난히 따뜻한 온도와 관련 있어 보이는데, 남극 주위의 구름은 적도 근처의 구름보다 최대 섭씨  60도 정도 더 따뜻합니다. 만약 그렇다면 이 거대한 허리케인은 토성 대기의 거의 영구적인 특성일 가능성도 있습니다.