목성 내부의 비밀

태양계에서 가장 큰 행성인 목성은 알록달록한 구름 띠들로 둘러싸여 있으며, 내부의 에너지원에 의해 강력한 폭풍이 일고 열이 발생하는 거대한 기체 덩어리입니다. 그러나 우리는 그 행성의 표면층 아랫부분에 대해서는 아는 것이 거의 없습니다.

 

목성 대기의 세부적인 상태는 유동적이지만 그 전반적인 구조는 조반니 도메니코 카시니와 로버트 훅이 1660년대에 처음으로 망원경을 통해 행성의 지도를 그린 이후로 거의 변하지 않았습니다. 전체적인 특징은 벨트와 존으로 알려진 어둡고 밝은 띠들인데, 이 이름들은 더 어두운 띠가 상대적으로 국소적인 것이며, 균일하고 밝은 띠가 그 배경을 이루고 있음을 의미합니다. 하지만 사실은 그 반대입니다.

 

1970년대 후반 보이저 우주 탐사선의 근접비행을 통해서 어두운 갈색과 청색의 벨트들은 텅 비어서 더 깊은 곳에 있는 구름을 드러내고 있고, 아이보리 화이트 색깔의 존은 사실 아래쪽의 어두운 물질들을 차폐하고 있는 높은 고도의 구름 지역임이 밝혀졌습니다.

 

벨트와 존

다른 모든 행성처럼 목성의 기후는 따뜻한 지역에서 차가운 지역으로 이동하는 열에 의해서 지배됩니다. 지구에서는 각각의 반구가 3개의 셀을 갖고 있는데, 저위도에서 따뜻한 공기가 상승하여 냉각된 다음 극지방 근처에서 하강합니다. 목성의 띠들은 지구보다 숫자는 더 많지만 유사한 셀들에 의해 형성되는데, 목성의 띠의 숫자가 더 많은 이유는 목성의 대기가 지구의 대기보다 밀도가 더 크고 더 깊기 때문입니다.

 

벨트와 존의 경계들은 목성의 가장 복잡한 날씨를 만들어 냅니다. 각각의 경계를 따라 흐르는 고속의 제트기류 때문에 높고 가벼운 구름의 띠는 '페스툰' 속으로 사라지는데, 이 페스툰은 더 깊은 구름층 위에 매달려 있습니다.

 

작은 폭풍들이 며칠 또는 몇 주의 주기로 끊임없이 왔다가 사라지지만, 더 크고 현저한 폭풍은 드뭅니다. 폭풍들은 주로 벨트와 존 사이의 경계에서 흰색의 점으로 보이는데, 이 지역에서 남쪽과 북쪽 모서리를 따라 반대 방향으로 부는 바람 때문에 폭풍의 회전이 강화됩니다.

 

대기의 화학성분

혼합된 기체들이 각각의 대류하는 띠에서 상승함에 따라 압력은 하강하고 대기는 냉각되는데, 그 결과 다양한 기체들이 구름으로 응결됩니다. 이 구름에 대한 분광학적 분석과 실험실 모형은 가장 낮은 고도에서 물이 응결돼 깊은 기저층을 형성함을 보여주는데,  이 기저층은 보통 관찰되지 않습니다. 약간 더 높은 곳에서는 수황화암모늄이 응결하여 벨트 구름을 형성합니다. 마지막으로 암모니아가 가장 높은 고도에서 응결하여 존을 형성합니다. 

 

고도가 낮은 벨트의 구름 띠들은 목성의 자전과 함께 서쪽으로 움직이는 경향이 있지만, 높은 고도에서는 목성의 빠른 회전이 만들어 낸 코리올리 효과가 더욱 커져서 존의 바람을 반대 방향인 동쪽으로 불게 합니다. 

 

이것들이 목성 구름의 주된 화학성분들입니다. 이것들은 흥미로운 질문을 제기하는데, 그 이유는 그것들이 모두 흰색의 구름을 형성해야만 하기 때문입니다. 실제로 보이는 알록달록한 청색, 오렌지색, 크림색, 그리고 붉은색은 다른 화학성분의 작은 흔적들일 것입니다.

 

1994년 슈메이커-레비 9 혜성이 충돌하고 난 뒤 목성 대기에 퍼진 멍들은 깊은 내부에 존재하는 화학물질들을 들춰냈습니다. 거기에는 이황화탄소, 황산 수소염 그리고 순수한 황이 포함되는데, 이 성분들이 목성의 색깔에 영향을 주었을지도 모릅니다. 

 

1995년 10월 갈리레오 대기 탐사선이 목성 대기의 외층 안으로 낙하했는데, 낙하산을 이용해서 하강하는 동안 58분에 걸쳐 데이터를 보내온 뒤에 마침내 지구 대기의 23배에 맞먹는 압력 아래 전송이 끊겼습니다. 비록 탐사선이 시속 725km에 이르는 강한 바람을 기록하긴 했지만 구름이나 수증기의 흔적은 만나지 못했는데, 이는 목성 대기에 대한 수용된 모형들과는 맞지 않는 것이었습니다. 그 이후에 더 많은 연구를 통하여 탐사선이 우연히 목성 대기의 건조하고 상대적으로 구름이 없는 '열점'으로 떨어졌다는 것이 비로소 밝혀졌습니다. 

 

내부의 미스터리

목성의 적외선 사진은 목성이 태양으로부터 받아들이는 것보다 더 많은 열을 방출한다는 것을 보여 주는데, 이러한 불균형은 1966년 애리조나 대학교의 프랭크 로우에 의해 처음으로 발견됐습니다. 대체로 목성은 그 내부에 태양으로부터 얻는 양과 같은 양의 에너지를 생산해 낼 수 있는 내부 에너지원을 갖고 있다고 여겨집니다.

 

다른 거대 외행성들처럼 이 내부 에너지의 원천은 행성이 형성된 이후의 잔열과 태양 자체의 가능한 에너지원으로서 19세기 후반 처음으로 제안된 켈빈-헬름홀츠 작용이라고 알려진, 행성이 중력에 의해 서서이 수축하는 현상에 의한 열 발생 효과가 결함한 결과일 것입니다. 행성 외측의 냉각은 압력 강하를 일으키고 이 때문에 행성은 약간 수축하며 그 결과 다시 내층의 온도가 상승합니다. 지금까지 측정된 내부 에너지를 생산하기 위해서는 목성이 1년에 대략 2cm 정도 수축해야 합니다.

 

목성은 오랫동안 중심부에 크기는 지구만 하고, 밀도는 훨씬 높은 암석질의 핵을 갖고 있을 것이라고 여겨져 왔는데, 이는 갈릴레오 우주 탐사선에 의한 중력 측정으로 분명히 입증됐습니다. 하지만 목성이 단일한 회전 기체 구름에 의해 만들어졌다는 목성 형성 모형들은 목성이 핵을 갖고 있지 않을 수도 있다고 주장합니다. 반면, 2008년 캘리포니아 주립대학교 버클리에서 수행된 모형 작업에 의하면, 목성의 핵은 이전에 주장된 것보다 크기가 두 배 정도 될 수 있으며 그 질량이 지구의 18배에 달할 수 있다고 주장했습니다.

 

목성 내부에 대한 불확실성을 해결할 수 있는 한 가지 방법은 태양 탐사에서 성공적인 것으로 입증된 지진학 기법을 사용하는 것입니다. 천문학자들은 1970년대 이후로 목성의 대기에서 전반적인 진동의 신호를 찾으려고 노력했으나 실패했고, 2011년이 돼서야 파리 대학의 패트릭 골름 연구팀이 성공을 보고했습니다. 2016년 7월 목성 주위의 궤도에 진입한 주노 우주 탐사선으로부터 전송될 데이터를 지진학 기법과 결합하면 목성에 대한 중요한 궁금점 중 몇 가지가 마침내 해결될지도 모릅니다.