물리 [표지로 읽는 과학] 목성 대기에서 치는 새로운 번개의 비밀

[표지로 읽는 과학] 목성 대기에서 치는 새로운 번개의 비밀

네이처 제공

국제학술지 네이처는 어두운 구름이 가득한 하늘을 우주에서 내려다 본 모습을 상상한 그림을 이번주 표지에 실었다. 잘 보면 매우 복잡하게 엉켜 하늘을 가득 덮은 구름 내부에서 번개가 치고 있다. 번개는 크고 밝은 푸른 번개와 좀더 규모가 작은 붉은 번개 두 가지다. 붉은 번개는 다른 구름보다 좀더 위로 솟구친 구름에서 발견된다.

헤이디 베커 미국 항공우주국(NASA) 제트추진연구소 연구원과 코넬대, 프랑스 국립과학연구센터(CNRS) 공동연구센터는 NASA가 2011년 발사한 목성 탐사선 ‘주노’의 관측 데이터를 분석해 목성 표면에 기존에 알려지지 않은 새로운 번개가 치고 있다는 사실을 밝히고 그 발생 원리를 규명해 ‘네이처’ 6일자에 발표했다.

주노는 2016년 목성에 도달해 목성 주변을 공전하며 과학 관측을 하고 있는 탐사선이다. 한 차례 임무 기간이 연장돼 2021년 7월까지 목성 대기 및 오로라의 특성과 중력, 자기장 등을 관측한 뒤 목성 대기권에 돌입해 마지막 대기 관측을 한 뒤 임무를 종료할 예정이다.

연구팀은 주노에 탑재된 광학 카메라로 관측한 대기 표면 영상에서 이전에 발견하지 못한 새로운 작은 번개 현상을 발견했다. 목성 표면에 거대한 번개가 치고 있다는 사실은 1979년 NASA 탐사선 ‘보이저’에 의해 이미 발견돼 있었다. 이 번개는 지구에서 치는 번개와 발생 원리가 비슷한 것으로 추정됐다. 목성 표면으로부터 45~65km 아래는 온도가 섭씨 0도를 유지해 물과 얼음, 심지어 수증기가 공존하는 환경으로 추정되는데, 천문학자들은 이 곳 환경이 지구의 구름과 비슷해 번개가 만들어질 수 있다고 추정했다.

하지만 이번에 주노 팀이 발견한 번개는 이전에 발견된 번개와 달랐다. 이 번개는 겨우 5.4밀리초(ms, 1ms는 1000분의 1초) 지속됐으며 수십 밀리초마다 반복해서 발생했다. 특이한 것은 발생한 고도였다. 기존 번개를 만들던 수증기와 물, 얼음으로 된 구름층보다 25km 이상 높은 곳에서 발생했다. 목성에서 이 고도는 온도가 영하 88도로 낮아 순수한 물이 액체로 존재할 수 없는 지역이다. 지구의 구름과 환경이 달라 번개가 칠 수 없다.

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베커 연구원은 “이 지역에서는 암모니아가 존재해 물과 섞여 물의 어는 점을 낮췄을 것”이라며 “암모니아와 물이 뒤섞여 만들어진 액체 방울이 떨어져 그 아래에 존재하는 물이나 얼음 결정과 부딪히며 방전 현상을 일으키고 번개를 만든 것으로 추정된다”고 말했다. 

목성 대기에 형성된 버섯 모양의 독특한 구름 구조와 내부에서 두 종류의 번개가 치는 원리를 설명한 그림이다. 고도에 따라 온도와 물의 어는점이 달라 형성되는 액체방울의 성분이 달라지고, 그 결과 각기 다른 성분의 액체가 각기 다른 번개를 형성하는 것으로 추정된다. NASA 제공

이런 추정은 또다른 관측을 통해 확인됐다. 주노에 탑재된 마이크로파 관측기구를 통해 대기 성분을 관측한 결과 암모니아 성분이 대기에서 사라지고 있으며 암모니아 농도가 고도에 따라 변화한다는 사실이 발견됐다. 연구팀은 암모니아가 액체 비를 형성하고 일부는 액체 위에 얼음이 코팅되며 일종의 우박을 형성해 아래로 내리고 있다는 증거라고 설명했다. 

연구팀은 이런 현상이 일어나는 독특한 구름 형태도 발견했다(위 그림). 목성 대기 안에 마치 버섯처럼 불쑥 솟아 있는 구름으로, 이 안에서 고도에 따라 물과 암모니아가 비 또는 우박으로 내리며 다양한 번개를 형성한다고 추정했다.