태양계에서 지구와 가장 닮았으면서도 전혀 다른 매력을 가진 붉은 행성 화성에 대한 핵심 정보를 정리했습니다. 화성의 기본 물리적 특성부터 독특한 기후 환경, 태양계 최대 규모를 자랑하는 올림푸스 산과 협곡, 그리고 화성의 두 위성인 포보스와 데이모스의 특징까지 화성의 모든 것을 상세하게 풀어내어 인류가 왜 이토록 화성에 매료되었는지 그 이유를 알 수 있습니다.
화성의 기본 제원과 붉은빛의 비밀
우리가 밤하늘을 바라볼 때 유독 붉게 빛나는 행성을 찾아볼 수 있는데 그것이 바로 화성입니다. 화성은 태양계에서 태양으로부터 네 번째에 위치한 행성으로 예로부터 그 특유의 붉은 빛깔 때문에 동양에서는 불의 행성이라는 뜻의 화성 또는 미스터리하게 반짝인다고 하여 형혹성이라고 부르기도 했습니다. 이처럼 화성이 강렬한 붉은색을 띄는 이유는 화성 토양에 많이 함유된 미세한 산화철 성분 때문입니다. 쉽게 말해 화성의 표면 전체가 붉은 녹으로 뒤덮여 있기 때문에 우주에서 바라보았을 때 붉은빛을 뿜어내는 것입니다. 서양에서는 이 붉은빛이 마치 전쟁의 피를 연상시킨다고 하여 로마 신화에 나오는 전쟁의 신인 마르스의 이름을 붙였습니다. 화성은 수성, 금성, 지구와 함께 단단한 암석으로 이루어진 네 개의 지구형 행성 중 하나에 속합니다. 화성의 크기를 지구와 비교해 보면 지름은 약 6,794km로 지구의 절반 정도밖에 되지 않으며, 전체적인 부피는 지구의 약 15% 수준에 불과합니다. 표면적 역시 지구 전체 면적의 4분의 1 정도에 그치기 때문에 지구에 비하면 상당히 아담하고 작은 행성이라고 볼 수 있습니다. 화성의 궤도를 살펴보면 지구 궤도의 바로 바깥쪽에서 공전하고 있으며 태양까지의 평균 거리는 대략 2억 2,000만 km에 달합니다. 거리가 지구보다 멀기 때문에 태양을 중심으로 한 바퀴 도는 공전 주기는 약 686.98일로 지구의 두 배에 가까운 시간이 걸립니다. 반면에 화성의 자전 주기는 24시간 37분 23초로 지구의 하루와 놀라울 정도로 비슷합니다. 더욱 흥미로운 점은 화성의 자전축이 약 25.9도 기울어져 있다는 사실입니다. 이는 지구의 자전축 기울기인 23.5도와 매우 유사한 수치입니다. 자전축이 기울어진 채로 공전을 하기 때문에 화성에서도 지구와 마찬가지로 봄, 여름, 가을, 겨울이라는 뚜렷한 사계절의 변화가 나타납니다. 다만 공전 속도가 지구보다 대략 두 배 정도 느리기 때문에 화성에서 느끼는 각 계절의 길이는 지구에 비해 약 두 배 정도 길게 지속된다는 차이점이 있습니다. 화성의 궤도가 가진 또 다른 특징은 궤도 이심률이 대략 9%로 다른 행성들에 비해 상당히 큰 편이라는 점입니다. 태양계에서 화성보다 이심률이 큰 궤도를 가진 행성은 수성밖에 없을 정도로 화성의 공전 궤도는 아주 찌그러진 타원 형태를 그리며 돌고 있습니다. 이 때문에 화성이 공전하면서 태양과 가장 가까워지는 근일점에서는 지구와의 거리가 대략 5,500만 km까지 좁혀지지만, 태양과 가장 멀어지는 원일점에서는 무려 4억 1,000만 km까지 멀어지게 됩니다. 이러한 큰 거리 변화는 화성의 기후와 관측 조건에 매우 큰 영향을 미치게 됩니다. 화성의 평균 밀도는 세제곱미터당 3,930kg으로 지구의 밀도에 비하면 확연히 작은 편입니다. 이렇게 밀도가 작다는 사실은 화성의 내부 구조가 지구와는 사뭇 다르다는 것을 과학적으로 증명해 줍니다. 천문학자들의 연구에 따르면 화성 내부에서 무거운 물질들이 모여 있는 핵 부위가 전체 크기에 비해 상대적으로 매우 작을 것으로 추정하고 있습니다. 아울러 그 핵을 구성하는 성분 역시 지구의 핵보다 훨씬 가벼운 원소들로 이루어져 있을 가능성이 높다고 보고 있습니다. 어릴 적 밤하늘을 보며 화성에 생명체가 살고 있지 않을까 상상하곤 했는데, 화성의 실제 제원과 물리적 특성을 하나씩 알아갈수록 지구와 닮은 듯하면서도 전혀 다른 독자적인 환경을 가진 행성이라는 것을 깊이 체감하게 됩니다.
희박한 대기와 극한의 기후 환경
화성은 대기가 존재하는 행성이지만 지구와는 비교할 수 없을 정도로 얇고 희박한 대기권을 가지고 있습니다. 화성 표면에서 측정되는 대기압은 약 7.5밀리바에서 5밀리바 정도로 지구 표면 기압의 0.75%에 불과합니다. 지구의 100분의 1도 안 되는 아주 낮은 기압인데, 지표 부근의 대기압으로 환산하면 대략 0.006기압이라는 극한의 상태가 됩니다. 화성이 이토록 희박한 대기를 갖게 된 근본적인 원인은 행성의 크기가 작아서 중력이 약하기 때문입니다. 행성의 중력이 대기 입자들을 강하게 붙잡아두지 못하므로 오랜 세월 동안 수많은 대기 성분들이 우주 공간으로 날아가 버린 것입니다. 화성의 대기를 구성하는 성분을 살펴보면 이산화탄소가 약 95%로 거의 대부분을 차지하고 있습니다. 그 뒤를 이어 질소가 일부 존재하고 아르곤이 약 1.6% 정도 함유되어 있으며, 인간이 호흡하는 데 필수적인 산소나 수증기는 극미량만 포함되어 있을 뿐입니다. 많은 분들이 이산화탄소의 비율이 높다는 점에 주목하여 이야기하지만, 설령 산소의 비율이 지구보다 높다고 가정하더라도 전체 대기압 자체가 지구의 1% 미만으로 너무나도 낮기 때문에 우리 인간은 화성 표면에서 산소 마스크나 우주복 없이 도저히 호흡할 수 없으며 생존 자체가 불가능한 환경입니다. 이러한 희박한 대기 구조는 화성의 온도 조절 능력에 치명적인 약점으로 작용합니다. 대기가 너무 얇다 보니 태양으로부터 받은 열을 대기 중에 가두어 두는 온실 효과를 거의 기대할 수 없고, 밤이 되면 모든 열이 순식간에 우주로 방출되어 버립니다. 그 결과 화성의 표면 온도는 가장 추울 때 섭씨 영하 140도까지 떨어지며, 햇볕이 가장 강하게 내리쬐는 한낮에 가장 더울 때조차 섭씨 20도 정도에 머무릅니다. 화성 전체의 연평균 온도를 계산해 보면 대략 섭씨 영하 80도라는 엄청난 혹한의 수치가 나옵니다. 이처럼 혹독하게 낮은 온도 때문에 화성의 극지방에는 매우 독특한 지형이 형성되는데 이를 극관이라고 부릅니다. 극관은 화성의 북극과 남극 지역에 얼음과 눈으로 두껍게 덮여 있는 거대한 흰색 얼음 덩어리 지대를 말합니다. 지구의 극지방에 있는 빙하는 순수한 물이 얼어붙은 얼음이지만, 화성 극관의 주성분은 놀랍게도 이산화탄소가 얼어붙은 드라이아이스입니다. 이 극관은 화성의 계절 변화에 따라 그 크기가 아주 역동적으로 변화합니다. 화성에 여름이 찾아와 온도가 조금 올라가면 드라이아이스 성분이 액체를 거치지 않고 곧바로 기체로 변하는 승화 현상이 일어나면서 극관의 크기가 눈에 띄게 작아지고 그 아래에 있던 암석 표면이 겉으로 드러나게 됩니다. 반대로 혹독한 겨울이 찾아오면 대기 중에 있던 이산화탄소가 다시 얼어붙으면서 극관의 크기가 거대하게 확장됩니다. 1965년 인류의 탐사선인 마리너 4호가 화성에 근접 비행하기 전까지 과거의 사람들은 망원경을 통해 화성의 극지방 무늬가 주기적으로 변하는 모습을 보고 화성에 액체 상태의 물과 강이 존재하며 생명체가 번성하고 있을 것이라고 짐작했습니다. 이후 탐사선의 정밀 관측을 통해 화성 남극 지방 지하 약 3km 이내의 표토 층에 아주 대량의 얼음이 퇴적되어 있다는 사실이 밝혀지면서 물의 존재 가능성에 대한 기대감이 다시금 커지기도 했습니다. 그러나 화성의 대기압이 너무나도 낮기 때문에 얼음이 녹더라도 액체 상태의 물로 표면에 오랫동안 머무를 수 없고 곧바로 증발해 버립니다. 환경이 이렇다 보니 우리가 기대하는 형태의 생명체가 화성 표면에서 살아갈 가능성은 극히 희박하다는 것이 현대 과학의 정설로 판명되었습니다. 차가운 드라이아이스로 이루어진 거대한 극관이 계절에 따라 커졌다 작아졌다를 반복하는 화성의 모습을 상상해 보면, 우주의 법칙이 만들어낸 기후의 신비로움에 감탄하게 되면서도 지구의 따뜻하고 안정적인 대기가 얼마나 소중한지 다시금 깨닫게 됩니다.
태양계 최대의 올림푸스 산과 메리너리스 협곡
화성의 지형은 크게 북반구와 남반구라는 두 개의 확연히 다른 지역으로 나누어지는 독특한 비대칭성을 가지고 있습니다. 북반구 지역은 과거에 거대한 용암류가 흘러내려 표면을 매끄럽게 덮으면서 형성된 평평하고 광활한 평원이 주를 이루고 있습니다. 반면에 남반구 지역은 수많은 운석이 충돌하면서 생긴 음푹 패인 땅과 크고 작은 크레이터들이 빽빽하게 존재하는 거친 고지대로 이루어져 있습니다. 지구에서 망원경으로 화성의 표면을 관찰할 때 양쪽의 밝기가 서로 다르게 나타나는 이유가 바로 이처럼 북반구와 남반구의 지형적 특징이 완전히 상이하기 때문입니다. 화성의 지형을 이야기할 때 절대 빼놓을 수 없는 가장 놀라운 존재는 바로 태양계에서 가장 높은 산인 올림푸스 산입니다. 화성은 지구보다 크기가 절반밖에 되지 않는 비교적 조그만 행성임에도 불구하고, 태양계 전체를 통틀어 가장 거대한 규모의 산을 보유하고 있다는 점이 매우 흥미롭습니다. 올림푸스 산은 화성의 타리시스라고 불리는 넓은 화산 고지대에 위치하고 있으며 그 높이는 자그마치 25km, 즉 25,000m에 달합니다. 이는 지구에서 가장 높은 산인 에베레스트 산을 무려 세 개나 위로 차곡차곡 쌓아 올려야 겨우 비빌 수 있는 엄청난 높이입니다. 만약 이 산이 지구에 있었다면 산의 정상 부위가 대류권을 훨씬 지나 성층권의 오존층까지 그대로 닿을 정도의 상상을 초월하는 규모입니다. 산의 높이뿐만 아니라 밑바닥의 너비 역시 대략 550km에 이르는데, 이 크기는 한반도 전체를 통틀어 다 채워 넣고도 남을 만큼 거대한 면적입니다. 워낙 산의 바닥 면적이 광활하고 넓다 보니 그 엄청난 높이에도 불구하고 산의 평균적인 경사도는 놀라울 정도로 매우 완만합니다. 대략 1km를 앞으로 걸어 나갈 때 고작 40m 정도만 위로 오르는 수준의 경사도입니다. 이 정도의 완만한 경사라면 어린아이조차도 힘들이지 않고 편안하게 걸어 올라갈 수 있는 아주 평범한 산책길이나 다름없습니다. 어마어마한 높이를 자랑하지만 완만한 경사 덕분에 누구나 쉽게 등반할 수 있는 기묘한 산인 셈입니다. 실제로 이 산의 표면에 서 있게 된다면 산의 면적이 시야를 완전히 벗어날 정도로 넓기 때문에 자신이 서 있는 곳이 산 위인지 아니면 그냥 평평한 평지인지조차 도저히 느끼지 못할 것입니다. 화성이 가진 거대 지형은 산에만 국한되지 않습니다. 화성의 적도 부근에는 발레스 메리너리스라고 불리는 태양계에서 가장 거대한 협곡 지대가 존재합니다. 이 협곡의 전체 길이는 무려 3,000km에서 4,000km에 달하며, 협곡의 깊이는 무려 7km에서 8km에 이릅니다. 협곡의 일부분은 폭이 무려 500km에 달할 정도로 넓은데, 이는 미국의 그랜드 캐니언을 아주 초라하게 만들 정도로 압도적인 규모입니다. 화성의 얇은 지각이 내부의 열 활동으로 인해 뜯겨 나가면서 형성된 것으로 추정되는 이 대협곡은 화성이 과거에 매우 역동적인 지질 활동을 겪었음을 생생하게 보여주는 증거입니다. 지구의 지형들과는 스케일 자체가 다른 화성의 올림푸스 산과 대협곡의 이야기를 접할 때마다 우주의 광활함과 신비로움을 온몸으로 느끼게 됩니다. 언젠가 인류가 화성에 자유롭게 발을 들이는 날이 온다면, 끝이 보이지 않는 올림푸스 산의 완만한 능선을 따라 걸으며 화성의 붉은 지평선을 바라보는 상상을 하곤 합니다.
화성의 두 위성과 인류의 끊임없는 탐사 여정
우리가 사는 지구는 밤하늘을 밝혀주는 달이라는 이름의 위성을 딱 하나만 가지고 있지만, 화성은 포보스와 데이모스라는 이름을 가진 두 개의 작은 위성을 품고 있습니다. 이 두 위성은 1877년 미국의 천문학자 아사프 홀에 의해 처음으로 발견되었으며 로마 신화 속 전쟁의 신 마르스의 두 아들 이름을 따서 명명되었습니다. 포보스와 데이모스는 지구의 달처럼 예쁜 구형이 아니라 울퉁불퉁한 감자 모양의 타원체 형태를 띄고 있으며 화성의 적도면 근처를 거의 원 궤도를 그리며 돌고 있습니다. 먼저 안쪽 궤도를 도는 포보스는 지름이 약 27km인 아주 작은 위성으로 화성 표면으로부터 불과 9,380km라는 매우 가까운 거리에 떨어져 있습니다. 지구와 달의 거리가 약 38만 4,400km인 것과 비교하면 포보스는 그야말로 넘어지면 코 닿을 만큼 아주 아슬아슬하게 가까운 거리에서 화성을 돌고 있는 셈입니다. 포보스는 화성을 한 바퀴 공전하는 데 걸리는 시간이 단 7시간 30분밖에 되지 않습니다. 이는 화성의 자전 속도보다 훨씬 빠른 수치이기 때문에 화성 지표면에서 밤하늘을 바라보면 포보스는 다른 천체들과 반대로 서쪽에서 떠올라 동쪽으로 지는 기묘한 현상을 보입니다. 반면에 바깥쪽 궤도를 도는 데이모스는 지름이 약 16km로 포보스보다 더 작으며 화성으로부터 약 23,500km 떨어져서 대략 30시간 30분마다 한 번씩 화성을 공전합니다. 이 두 위성 역시 지구의 달과 마찬가지로 자전 주기와 공전 주기가 완전히 일치하는 조석 고정 상태에 있기 때문에 항상 같은 면만을 화성을 향해 보여주고 있습니다. 흥미로운 미래의 변화도 예견되어 있는데, 포보스는 중력 작용으로 인해 아주 서서히 그러나 꾸준하게 화성 쪽으로 가까워지고 있어 먼 미래에는 화성 중력에 의해 부서지거나 충돌할 운명을 가지고 있습니다. 반대로 데이모스는 포보스와 달리 서서히 화성으로부터 멀어지는 궤도를 돌고 있습니다. 이처럼 신비로운 환경을 가진 화성은 태양계의 수많은 행성들 중에서 인류가 가장 많이 탐사선을 보내고 도전해 온 행성입니다. 지구와 가장 가까운 축에 속하는 이웃 행성이기도 하고 한때 생명체가 존재했을지도 모른다는 강력한 미련과 호기심을 자극하기 때문입니다. 또한 화성은 두꺼운 황산 대기로 뒤덮인 금성 등에 비해 탐사선이 지상에 직접 착륙하여 활동할 만한 최소한의 물리적 환경이 조성되어 있어 인류에게 가장 유리한 탐사 표적이 되어 왔습니다. 인류의 본격적인 화성 탐사는 1965년 미국의 메리너 프로젝트로부터 역사적인 첫발을 내딛었습니다. 1965년 6월 14일 메리너 4호가 인류 최초로 화성에 근접 비행하며 표면 사진을 찍어 지구로 전송하는 데 성공했습니다. 당시 오랜 기간에 걸쳐 기록된 사진 속 화성의 모습은 마치 지구의 달처럼 수많은 분화구로 가득한 황량한 풍경이었으며, 몇몇 분화구 주변에 서리가 덮여 있는 춥고 쓸쓸한 화성의 밤을 보여주었습니다. 이후 메리너 6호, 7호, 8호, 9호가 차례로 발사되면서 화성의 지도를 그리고 대기 성분을 분석했습니다. 비록 생명체가 직접 활동하는 징후는 찾지 못했으나 인류는 화성이 언젠가 제2의 지구가 될 수도 있다는 거대한 희망과 미련을 버리지 않았습니다. 1976년에는 바이킹 1호와 2호가 화성 궤도에 진입한 후 각각 착륙 모듈을 화성 표면에 안전하게 내려앉히는 쾌거를 이루었습니다. 이어 1997년 마스 글로벌 서베이어와 2001년 마스 오디세이 탐사선이 화성 궤도에서 정밀 관측을 수행하며 과거에 액체가 흘러내린 듯한 선명한 협곡 자국들을 찾아내었고 남극 지하 표토에 거대한 얼음층이 퇴적되어 있다는 결정을 내렸습니다. 마리너부터 바이킹, 패스파인더, 오디세이로 이어지는 인류의 화성 탐사 미션들은 매우 성공적이었으며 우주를 향한 인간의 위대한 도전 정신을 잘 보여줍니다. 붉은 행성 화성을 향한 인류의 과학적 탐사와 제2의 지구를 만들기 위한 테라포밍의 꿈은 앞으로도 멈추지 않고 계속될 것입니다.
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