천왕성, 20년 데이터로 밝혀낸 극지 메탄 분포의 비밀

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천왕성은 태양을 옆으로 누운 채 공전하는 특이한 구조의 행성이다. 이번에 NASA의 허블우주망원경이 20년에 걸쳐 수집한 장기 관측 데이터를 분석한 결과, 천왕성의 극지방에서는 메탄이 지속적으로 고갈되고 북극은 시간이 지날수록 밝아지는 등, 극단적인 대기 불균형이 확인됐다. 이 연구는 기울어진 천왕성의 계절 구조와 대기 순환을 보여준다.

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천왕성, 20년 허블 관측으로 드러난 대기 구조

1986년, 보이저 2호가 천왕성을 스쳐 지나가며 남긴 이미지는 심심한 청록색 공 하나였다. 겉보기에 특별한 특징이 없던 이 행성은 이후 오랜 시간 연구의 우선순위에서 밀려났다. 그러나 허블우주망원경은 2002년부터 2022년까지 20년 동안 천왕성을 네 차례에 걸쳐 반복적으로 관측했고, 덕분에 천왕성은 단조로운 행성이 아닌, 계절에 따라 복잡하게 변화하는 대기 구조를 지닌 행성으로 다시 조명되었다.

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이번 연구에는 허블의 STIS(Space Telescope Imaging Spectrograph) 장비가 사용되었다. STIS는 가시광선부터 근적외선까지 1,000개 이상의 파장대를 측정할 수 있어, 대기의 성분과 층별 구조를 정밀하게 분석하는 데 적합하다. 이를 통해 연구팀은 메탄의 수직 및 위도 분포, 에어로졸 농도, 계절 변화 양상을 정량적으로 도출할 수 있었다.

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천왕성, 고정된 메탄과 계절 따라 움직이는 에어로졸

천왕성의 대기는 수소와 헬륨, 소량의 메탄, 그리고 흔적 수준의 물과 암모니아로 구성되어 있다. 이 가운데 메탄은 빨간빛을 흡수해 천왕성 특유의 청록빛을 만들어낸다. 그런데 이번 관측에서 연구진은 메탄이 행성 전체에 고르게 퍼져 있지 않다는 점을 밝혀냈다. 특히 극지방에서는 메탄이 유난히 희박하게 나타났고, 이 경향은 20년 동안 변하지 않았다.

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반면 에어로졸과 안개층의 구조는 변화가 뚜렷했다. 특히 북극 지역은 해가 높이 뜨는 계절로 접어들면서 극적으로 밝아졌다. 이는 태양 복사 에너지가 대기 중 미세입자의 양과 분포에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 남극 지역은 반대로 태양에서 멀어지면서 점차 어두워졌다.

 

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천왕성, 극지 하강기류와 저위도 상승기류가 만든 대기 순환

허블의 장기 관측은 천왕성 대기의 순환 구조에 대한 중요한 힌트를 제공한다. 메탄의 분포와 에어로졸의 움직임을 분석한 결과, 극지방에서는 대기 하강(다운웰링)이, 중위도에서는 상승(업웰링)이 이루어지는 것으로 나타났다. 이는 천왕성 내부에서 외부로 향하는 복잡한 대기 흐름이 존재함을 시사한다.

 

이런 관측 결과는 우리 태양계의 가스 행성들 중에서도 독특한 천왕성의 기후 시스템을 이해하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라, 외계행성 연구에도 간접적인 통찰을 제공한다. 천왕성과 유사한 크기와 조성을 가진 외계행성은 매우 흔한데, 이들의 대기도 비슷한 방식으로 작동할 가능성이 있기 때문이다.

 

 

 

허블 우주망원경이 20년간 관측한 천왕성의 대기 변화

2002년부터 2022년까지 네 차례 촬영된 천왕성의 모습을 비교한 이미지. 위에서부터 차례로 일반 가시광선, 가시광선+근적외선, 에어로졸(안개), 메탄 분포를 보여준다. 시간이 지날수록 북극(오른쪽)이 점점 밝아지며 에어로졸이 증가하고, 극지방의 메탄 고갈은 일관되게 유지된다. 천왕성 대기의 계절 변화와 극지 대기 불균형을 확인할 수 있다. [사진=Space Telescope Science Institute]

 

 

천왕성, 84년 공전이 만든 계절의 대기 반응

천왕성은 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 84년이 걸린다. 이번 허블의 장기 관측이 이뤄진 2002년부터 2022년은, 태양의 위치가 천왕성 적도에서 북극 방향으로 점차 이동하는 시기로, 북반구가 봄에서 여름으로 전환되는 구간에 해당한다. 2030년에는 북반구가 태양을 거의 정면으로 마주하게 되며, 계절 변화의 정점에 도달할 것으로 보인다.

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이번 연구는 계절 변화에 따른 대기 구조와 메탄·에어로졸 분포의 변화를 정량적이고 시각적으로 처음 포착한 사례다. 천왕성처럼 자전축이 크게 기울어져 있는 행성은 절반의 시간을 어둠 속에서, 나머지 절반을 햇빛 아래에서 보낸다. 이런 독특한 환경에서 계절은 대기 전체의 흐름과 구성에 장기적이고 극적인 영향을 미친다.

 

 

천왕성 이미지

 

 

천왕성, 장기 관측이 남긴 대기 과학의 이정표

이번 장기 관측은 천왕성 대기의 메탄 분포, 에어로졸 변화, 계절 순환 등 복합적인 대기 과정을 정량적으로 분석한 첫 사례다. 특히 극지방에서의 메탄 고갈과 에어로졸 농도 변화는 태양 복사의 영향, 대기 순환 구조, 광화학적 반응 등이 맞물려 나타나는 복합적인 현상임을 증명한다.

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천왕성은 현재 북반구 여름을 향해가고 있으며, 향후 10년은 대기 변화의 정점과 그 이후를 관측할 수 있는 중요한 시기다. 이러한 자료는 외계행성 대기 연구의 비교 기준이 될 수 있으며, 극한 환경에서의 대기 시스템 이해에 기여할 것으로 보인다.

 

 

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