화성의 물은 어디로 사라졌을까?

화성의 물은 어디로 사라졌을까?

지구보다 물 흡수율 높은 암석이 스펀지 역할

생명체를 탐색할 때 과학자들은 먼저 생명을 유지할 수 있는 핵심요소인 신선한 물이 존재하는지 여부를 확인한다.

오늘날 화성의 표면은 황량하게 얼어붙어 있어 생명체가 살 수 없는 곳으로 여겨지고 있다. 그러나 최근까지의 탐사 결과 화성은 과거에 물이 자유로이 흘렀던 따뜻하고 습기 많은 행성이었던 것으로 추정된다. 이 사실로 미루어 화성에도 한 때는 생명체가 존재했을 가능성이 점쳐지고 있다. 그런데 이 예전에 존재했던 물이 어디로 어떻게 사라졌을까 하는 의문은 오랫동안 풀리지 않는 수수께끼였다.

영국 옥스퍼드대 지구과학부 연구진은 과학저널 ‘네이처’(Nature) 최근호에 발표한 연구에서 화성의 물은 암석 안에 흡수돼 갇혀있다고 밝혔다. 화성 표면의 암석이 물과 반응한 다음 이를 흡수했고, 그 과정에서 암석의 산화를 증가시켜 생명체가 살기 어려운 곳이 되었다는 것이다.

이전의 연구에서는 화성의 물 대부분은 화성의 자기장이 붕괴되자 우주공간으로 유실돼 버렸다고 추정했다. 당시 고강도의 태양풍에 의해 휩쓸리거나 혹은 지표 아래 얼음으로 잠겨 버렸다는 것. 그러나 이 이론들은 모든 물이 어디로 갔는지는 설명하지 못 했다.

 

화성의 건조하고 황량한 현재 모습(왼쪽)과 35억년 전 물로 덮인 화성 모습 상상도(오른쪽). 

표면의 암석들이 천천히 물과 반응해 화성의 맨틀 속에 갇혀 왼쪽에 있는 건조하고 황량한 모습으로 바뀌었다. CREDIT: Jon Wade

지구 암석 분석기법 화성에 적용

옥스퍼드대 지구과학부 자연환경조사국(NERC) 존 웨이드(Jon Wade) 박사팀은 화성의 광물을 분석하면 이에 대한 해답을 얻을 것이라고 확신하고, 지구의 암석 구성을 확인하는데 사용된 모델링 방법을 적용했다. 이를 통해 화성 표면의 물이 암석과 반응해 얼마나 많이 없어졌는지를 계산했다. 연구팀은 암석 온도와 지표면 아래의 압력 및 일반적인 화성의 구성요소가 화성의 표면에서 어떤 역할을 했는지를 평가했다.

연구 결과 화성에 있는 현무암은 지구에 있는 것보다 25% 정도 더 많은 물을 저장할 수 있으며, 그에 따라 화성 표면의 물을 암석 안으로 끌어들인 것으로 나타났다.

웨이드 박사는 “많은 이들이 화성의 물이 어디로 갔는지 오랫동안 고심해 왔으나 단순하게 암석과의 반응 결과 물이 흡수됐을 것이란 이론은 지금까지 적용해보지 않았다”며, “화성의 맨틀을 산화시키기 위해서는 다른 반응이 필요하다고 믿을 수 있는 증거가 있다”고 말했다. 예를 들어 화성의 운석은 지표의 암석에 비해 화학적으로 (산화가) 환원되고 조성이 매우 다른 것처럼 보이는데, 그에 대한 이유와 함께 화성에서 왜 모든 물이 사라져 버렸는가 하는 의문은 화성의 광물학에서 해답을 찾을 수 있다는 것이다.

 

화성의 물 존재를 탐사하기 위해 2003년에 발사된 미국 NASA의 스피릿 로버 모습. 

CREDIT: Wikimedia Commons /NASA

화성의 현무암 지각이 스폰지 효과 나타내

현재 지구의 판 구조 시스템은 지표면의 수위가 급격히 변화하는 것을 막아주며, 습한 암석은 비교적 건조한 지구의 맨틀로 들어가기 전에 효율적으로 탈수가 된다고 한다. 그러나 초기 지구나 화성은 물 재활용 시스템을 가지고 있지 않았다. 웨이드 박사는 화성에서는 물이, 구멍이 숭숭 뚫린 현무암 지각을 형성하는 갓 분출된 용암과 반응해 스폰지 같은 효과를 나타냈다고 말했다. 화성의 물은 이어 암석과 반응해 다양한 광물을 함유하게 되었고, 이 물-암석 반응은 암석의 광물학적 속성을 변화시켜 화성 표면을 건조하게 만들고 생명이 살 수 없는 곳이 되었다는 것.

지구는 이러한 변화를 경험한 적이 없는 이유에 대해 웨이드 박사는 다음과 같이 설명했다. 화성은 지구보다 크기가 훨씬 작고 온도 분포가 다르며, 규산염 맨틀의 철분이 지구보다 높다. 이것은 단지 미묘한 차이에 지나지 않는 것 같지만 시간이 지나면서 합산돼 중요한 결과를 나타낸다. 즉 화성의 표면은 지표수와 더 쉽게 반응하게 되고 물을 함유한 광물을 형성할 수 있게 된다. 이러한 요인들 때문에 화성에서는 지질화학적으로 자연스럽게 물이 맨틀로 끌어 당겨지고, 반면 초기 지구에서는 수화된 암석들이 탈수가 될 때까지 떠다녔다는 설명이다.

화성 소금 비율 지구보다 높아

웨이드 박사 논문의 중요한 메시지는 화성의 성분 구성이 미래의 거주 가능성을 결정지을 것이란 점으로 이는 지구의 염도를 조사한 ‘네이처’의 새 논문에 반영돼 있다. 옥스퍼드대 지구과학부 크리스 발렌틴(Chris Ballentine)가 함께 참여한 이 연구는 생명체가 생성되고 지속 가능하게 유지되려면  할로겐 수준(염소, 브롬, 요오드)이 지구와 같이 적정해야 한다는 사실을 보여준다. 너무 많거나 적으면 생명체가 살아남을 수 없다. 이전의 연구들은 화성 운석의 할로겐 측정치가 너무 높다고 보고했다. 지구를 형성한 운석 샘플과 비교하면 화성의 소금 비율이 지구보다 훨씬 높은 것으로 나타났다.

 

지구와 화성의 비교. 처음 조성될 당시의 미세한 차이가 큰 차이를 나타냈다. 

CREDIT: Wikimedia Commons /NASA (image modified by Jcpag2012)

이 같은 변이가 어떻게 발생하게 되었는지를 설명하기 위해 많은 이론이 제시됐으나 이번의 두 가지 연구가 증거를 제시하고 추가 조사를 위한 사례를 뒷받침해 준다. 웨이드 박사는 “넓게 보면 태양계 안의 행성들은 같은 조성을 가지고 있으나, 미묘한 차이가 예를 들면 암석의 화학적 속성과 같이 극적인 차이를 나타낼 수 있다”고 말했다. 가장 큰 차이점은 화성의 맨틀 암석에 더 많은 철분을 가지고 있다는 점으로서 이는 화성이 좀더 많은 산화 조건에서 형성되었기 때문이라는 것이다.

물 존재 탐구에서 행성 조성 방식 중요

화성은 한 때 물과 생명력을 유지할 잠재력을 가지고 있었던 것으로 알려져 있다. 그러나 비교해 보면 다른 행성들에 대해서도 알려진 것이 거의 없어 이들 연구팀은 지속적인 탐구를 시도해 볼 계획이다.

웨이드 박사는 다음과 같은 질문을 던질 수 있다고 말했다. 지구 맨틀에 철분이 더 적거나 많다면 환경이 어떻게 변화할 것인가, 지구가 지금보다 더 크거나 작다면? 이에 대한 답변들은 암석 화학이 행성의 미래를 예측하는데 큰 역할을 한다는 것을 짐작케 한다.

웨이드 박사는 “다른 행성에서 생명체를 찾는 일에는 올바른 화학적 접근뿐만 아니라 지표에 물이 존재하는데 중요한 영향을 미치는 행성의 조성 방식과 같은 미묘한 부분까지도 살펴봐야 한다”며, “다른 행성에 대한 이런 탐구 효과와 결과들은 실제로 실천되지 않았다”고 말했다.

글_ 김병희 객원기자 hanbit7@gmail.com 

출처_ 사이언스올 사이언스타임즈

저작권자 2017.12.22 ⓒ ScienceTimes