금성의 물

지구와 닮은 행성 금성

금성은 지구의 쌍둥이나 형제별 이라고 불릴 정도로 지름이나 질량과 같은 기본적인 성질이 비슷합니다. 그러나 그 표면의 모습은 매우 비슷하다고는 말할 수 없습니다. 97%가 이산화탄소로 구성된 두꺼운 대기를 가져 맹렬한 온실효과로 인해 금성의 표면온도는 460℃에 이르고 있으며, 게다가 표면 기압은 지구의 90배나 됩니다.

당연히 물은 액체 상태로는 존재할 수 없고 금성 표면은 말라 있어 금성 표면의 건조도는 지구에서 가장 건조한 아타카마 사막의 100배라고도 합니다. 과거 금성은, 지구와 마찬가지로 물을 가득 채우고 있었을 것으로 추정되지만, 물의 양과 지속 기간에 대해서는 수수께끼로 남아있습니다.

그러나 금성의 표면은 예로부터 이런 환경이 아니었던 것으로 추정되고 있습니다. 과거 금성의 기후는 좀 더 온화하여 지구 바다처럼 풍부한 액체의 물이 존재하지 않았을까 하는 추정도 있습니다.

다만 그 물이 언제까지 존재했는지는 오랜 수수께끼였습니다. 금성은 탐사에서 얻은 정보가 한정되어 있고 비슷한 대기를 가진 천체가 태양계에는 존재하지 않기 때문에 과거 기후를 추정할 재료가 부족하기 때문입니다.

그러나 많은 연구에서 액체의 물은 상당히 오랜 기간 존재해 왔으며, 추정 중에는 지금부터 7억1500만 년 전까지 물이 존재했다고 하는 것까지 있습니다. 이는 지구에 다세포 생물이 탄생한 약 6억 년 전과 비슷한 시기입니다.

그런데 과거 금성의 물에 대해 추정하는 데에는 금성 대기에 포함된 산소 분자(O2)가 단서가 됩니다. 물이 증발하여 대기 상층부로 올라가면 태양에서 온 자외선에 의해 산소 분자와 수소 분자로 분해됩니다. 수소는 매우 가볍기 때문에 즉시 우주 공간으로 도망치지만 산소 분자는 금성의 중력으로 만류하는 것이 가능하며 거의 도망치지 않습니다.

즉, 금성 대기에 포함된 산소 분자는 과거 금성의 물의 양을 추정하는 단서가 될 수 있습니다. 그러나 금성의 대기에 포함된 산소 분자와 수증기는 극히 미미합니다. 금성 표면에 존재했던 물이 상당히 적었다고 가정해도 기존 모델로는 현재 대기에 포함된 수증기나 산소 분자의 양을 설명할 수 없기 때문에 큰 수수께끼가 되었습니다.

시카고 대학의 Alexandra O. Warren과 Edwin S. Kite 연구팀은 과거 금성의 물 양에 관해 서로 다른 파라미터를 가진 모델을 구축하여 추정을 수행했습니다. 특히 중점을 두고 설정된 파라미터는 분해된 물에서 생긴 '산소분자의 운명'으로, '화산에서 방출된 탄소와 결합하여 이산화탄소가 되었다' '우주공간으로 도망쳤다' '마그마와 결합하여 산화물로 땅속에 고정되었다' 등 세 가지 경로가 상정되어 있습니다. 각각의 산소 분자 운명 기여도와 최초로 존재했던 물의 양을 변경하면서 연구팀은 총 9만 4080번의 계산을 실행했습니다.

그 결과 현재 금성 대기 중 산소, 물, 일산화탄소의 각 농도와 일치하는 계산 결과는 전체의 0.4% 미만밖에 되지 않아 불과 수백 회분에 불과한 것으로 나타났습니다. 특히 산소 분자가 대기에서 잃어버린 이유의 대부분은 우주 공간으로 도망친 결과인 것으로 나타났습니다.

화산과 관련된 두 운명 중 화산에서 방출되는 탄소와 결합하여 이산화탄소가 된다는 경로는 거의 무시할 수 없을 정도로 작은 것으로 나타났습니다. 또한 또 다른 마그마와 결합한 루트도 산소의 양에는 상당한 제한이 있는 것으로 나타났습니다. 지하에서 마그마가 분출하면 칼륨 40이라는 칼륨의 방사성 동위원소가 금성 표면으로 들어 올려집니다. 이윽고 칼륨 40은 붕괴하여 귀가스인 아르곤 40이 되어 금성의 대기 중에 머물게 됩니다.

현재 금성 대기에 포함된 아르곤 40의 양은 과거 금성에서 일어난 화산 활동의 활동도에 상한을 주어 지나치게 극단적인 분화 가능성을 낮춥니다. 이러한 이유로 인해 애초에 금성의 대기에서 잃어버린 산소 분자는 그다지 양이 많지 않았고, 따라서 그 근원인 물도 그리 많지 않았음을 알 수 있습니다.

이번 추정으로는 과거 금성에 존재했던 바다의 평균 수심은 300m로 지구 평균 수심 3700m의 10% 미만이거나 지금으로부터 약 30억 년 전에는 모두 증발한 것으로 추정되었습니다. 이는 금성 탄생 이래 현재까지의 역사의 약 70%가 건조한 상태임을 보여줍니다.

한편 대부분의 모델이 계산에 성공하지 못했다는 이번 결과는 금성의 데이터가 전체적으로 부족함에 따라 제대로 된 모델을 짜지 못하고 있음을 보여줍니다.

미국항공우주국(NASA)이나 유럽우주기구(ESA) 등에서 현재 계획된 금성 탐사 미션이 실시돼 관측 데이터가 늘어나면 더 나은 과거 금성 모델이 구축될 가능성이 있습니다.