화성은 왜 두꺼운 대기와 물을 잃었나

화성이 두꺼운 대기와 물을 잃은 데는 몇 가지 원인이 겹쳤다고 여겨진다. 가장 중요한 것은 행성 전체를 감싸던 자기장이 약 40억 년 전 무렵 사라진 일이다. 자기장이라는 방패가 없어지자 태양에서 불어오는 태양풍이 대기를 직접 때리며 조금씩 우주로 벗겨 냈다. 지구보다 작아 중력이 약하다는 점도 대기를 붙잡아 두기 어렵게 만들었다. 지금 화성 표면의 대기압은 지구의 1퍼센트에도 못 미친다.

화성에 물이 흘렀다는 증거는 무엇인가

탐사선과 궤도 위성이 보내온 사진에는 물이 흐르며 깎아 낸 것 같은 골짜기, 강이 바다나 호수로 흘러들며 만든 삼각주 모양의 지형이 선명하게 남아 있다. 표면에 착륙한 탐사 로봇들은 물속에서만 만들어지는 광물과, 물에 깎여 둥글어진 자갈을 찾아냈다. 이런 증거들은 아주 오래전 화성에 액체 상태의 물이 꽤 오랫동안 존재했음을 말해 준다.

물이 액체로 존재하려면 적당한 온도와 함께 충분한 대기압이 필요하다. 지금의 화성처럼 기압이 낮으면 물은 액체로 머물지 못하고 곧바로 끓어 증발하거나 얼어 버린다. 그러니 물이 흐르던 시절의 화성은 지금보다 대기가 훨씬 두꺼웠을 것이다.

자기장은 대기를 어떻게 지켜 주나

태양은 전기를 띤 입자들의 흐름인 태양풍을 끊임없이 내보낸다. 지구는 내부의 녹은 철이 움직이며 만드는 자기장이 이 입자들의 진로를 휘게 해, 대기가 직접 부딪히는 것을 막아 준다. 북극과 남극의 오로라는 자기장에 이끌린 입자들이 극지방 대기와 만나 빛나는 현상이다.

화성에도 한때 이런 자기장이 있었다. 화성 표면의 오래된 암석에 자성의 흔적이 남아 있는 것이 그 증거다. 그러나 화성은 지구보다 작아 내부가 빨리 식었고, 그 결과 자기장을 만들던 내부의 움직임이 멈춘 것으로 보인다. 방패가 사라지자 태양풍은 화성 대기의 위쪽 층을 직접 때리며 기체 분자들을 우주로 날려 보냈다.

원인	대기에 미친 영향
자기장의 소멸	태양풍이 대기를 직접 벗겨 냄
약한 중력	기체 분자가 우주로 빠져나가기 쉬움
초기의 큰 충돌	대기 일부를 한꺼번에 날려 보냈을 가능성
땅속에 갇힘	이산화탄소와 물의 일부가 광물과 얼음으로 저장됨

대기가 빠져나가는 것을 실제로 쟀나

2014년부터 화성 궤도를 도는 미국 항공우주국의 탐사선은 화성 대기의 위쪽 층을 직접 관측하며 기체가 우주로 빠져나가는 속도를 측정했다. 그 결과 태양풍이 강해지는 태양 폭풍 때마다 대기가 빠져나가는 속도가 눈에 띄게 늘어나는 것이 확인되었다. 오늘날의 빠져나가는 속도를 과거로 거슬러 계산하면, 수십억 년 동안 상당한 양의 대기가 이 방식으로 사라졌다는 결론이 나온다.

같은 원리로 금성과 지구를 견주어 보는 시각도 있다. 금성은 자기장이 거의 없는데도 두꺼운 대기를 갖고 있어, 자기장만으로 대기의 운명이 정해지는 것은 아니라는 반론의 근거가 된다. 행성의 크기, 태양과의 거리, 대기의 성분이 함께 얽혀 결과가 달라지기 때문에, 자기장이 대기를 얼마나 지켜 주는지에 대해서는 지금도 연구자들 사이에 논의가 이어진다.

사라진 물은 모두 우주로 갔나

모든 물이 우주로 사라진 것은 아니다. 화성의 극지방에는 물과 이산화탄소가 언 얼음이 두껍게 쌓여 있고, 땅속에도 얼음이 넓게 묻혀 있는 것으로 확인되었다. 일부는 암석과 반응해 광물 속에 갇혔다. 화성이 잃은 물 가운데 얼마가 우주로 갔고 얼마가 땅속에 남았는지는 아직 정확히 정리되지 않았다.

아직 밝혀지지 않은 것

화성의 자기장이 정확히 언제, 어떤 과정으로 멈췄는지는 여전히 연구 중이다. 초기 화성이 오랫동안 따뜻하고 습했는지, 아니면 대체로 춥다가 짧은 시기에만 따뜻해졌는지도 논쟁거리다. 그 답은 화성에 생명이 생겨날 만큼 안정적인 환경이 있었는지를 판단하는 데 중요한 열쇠가 된다.