화성 대기에서 이전에 알려지지 않았던 현상 발견돼
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-05-25 09:54:17
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- 뜻밖의 발견; 태양풍 입자들이 자기장 선에 의해 압축되고 방향이 바뀌는 현상
- 즈완-울프 효과;유입되는 입자들이 자기권계면에서 압축된 후, 흐름이 측면으로 휘어짐
- 즈완울프효과가 내부 자기장이 없는 행성 이온층에서도 발생할 수 있음을 처음 입증
지구의 자기장은 지구를 보호하는 중요한 방어막이다. 지구의 자기권은 태양풍과 우주 방사선의 고에너지 대전 입자들을 가둔다. 이 자기장 선으로 이루어진 우리(자물쇠)는 자기장 바깥쪽에서 이러한 입자 흐름의 방향을 바꾼다. 즈완-울프 효과는 이 과정에 관여하는 요인 중 하나다. 이 효과로 인해 유입되는 입자들이 자기권계면에서 압축된 후, 압축된 입자 흐름이 측면으로 휘어지게 된다.
화성: 자기 다이나모가 없는 행성
핵심은 즈완-울프 효과의 특징적인 입자 패턴이 일반적으로 대기 상층부에서 나타난다는 점이다. 웨스트버지니아 대학교의 주저자인 크리스토퍼 파울러(Christopher Fowler)는 "이 효과가 대기에서도 나타날 것이라고는 아무도 예상하지 못했다"고 설명했다. 더욱이, 뚜렷한 쌍극자 자기장이 이 현상의 필수 조건으로 여겨졌다. 따라서 즈완-울프 효과는 지구 자기장뿐만 아니라 목성과 토성에서도 발생할 가능성이 높다.
하지만 화성의 상황은 다르다. 화성은 초기에는 자체 자기장을 생성했지만, 약 37억 년 전에 자기 다이나모 활동이 중단되었다. 그 이후로 화성은 내부에서 생성되는 쌍극자 자기장을 갖지 못하고 있다. 화성의 일부 지역에만 과거 자기장의 흔적이 국지적으로 남아 있다. 또한, 강력한 태양풍과 화성 대기의 상호작용으로 일시적으로 약한 자기장이 생성될 수 있다. 하지만 현재까지 알려진 바에 따르면, 화성은 즈완-울프 효과가 발생하기 위한 조건을 충족하지 않는다.
화성 전리층의 놀라운 구조
더욱 놀라운 것은 파울러와 그의 연구팀이 화성 탐사선 메이븐(MAVEN)의 데이터를 분석하는 과정에서 발견한 현상이다. 2023년 12월 태양 폭풍 발생 당시와 직후, 메이븐은 화성 전리층의 자기장 값과 입자 밀도를 측정했다. 파울러는 "데이터를 분석하던 중 매우 흥미로운 변동들을 발견했다"고 전했다.
데이터는 국소 자기장 값이 급격히 상승했다가 점차 감소하는 다섯 개의 평행 구조를 보여주었다. "동시에 탐사선은 이온층 플라스마 밀도의 상당한 변동을 감지했다. 이온 밀도는 이러한 자기 구조의 선두에서 30~40% 감소했다가 서서히 다시 증가했다"고 파울러와 그의 동료들은 보고했다. 이와 동시에 구조 선두에서 감지된 입자의 에너지도 증가했다. 데이터는 국소 자기장 값이 처음에는 급격히 증가했다가 점차 감소하는 다섯 개의 평행 구조를 보여주었다. 내부 자기장이 없는 행성에서 최초로 발견된 현상이다.
연구진에 따르면, 이러한 데이터는 다른 측정 결과와 함께 MAVEN이 화성 대기에서 관측한 구조가 즈완-울프 효과에 의한 것임을 시사한다. 파울러와 그의 연구팀은 "우리는 즈완-울프 효과가 내부 자기장이 없는 행성의 이온층에서도 발생할 수 있음을 처음으로 입증했다"고 밝혔다.
기존의 가정과는 달리, 화성의 태양 폭풍으로 인해 생성되는 자기장은 행성 표면의 일부에만 존재하지만, 태양풍 입자를 압축하고 편향시키기에 충분하다. 태양풍에 의해 생성된 화성의 자기장은 진정한 쌍극자 자기장보다 크기가 작고 약하기 때문에, 이 현상은 지구보다 낮은 고도에서 나타난다. 즉, 화성 대기권 상공이 아니라 행성 표면에서 200km도 채 되지 않는 전리층에서 발생한다.
"우리가 몰랐던 물리적 과정들"
"바로 이 점이 매우 흥미로운 부분이다. 이전에는 알지 못했던 물리적 과정들을 밝혀냈기 때문이다"고 파울러는 말했다. 이번 연구 결과에 따르면, 즈완-볼프 효과는 자체적으로 생성된 쌍극자 자기장을 필요로 하지 않는다. 화성의 낮 쪽에 일시적으로 형성되는 태양풍에 의해 생성된 부분적인 자기장만으로도 충분하다. 이 발견은 이 현상이 자기장이 없다고 여겨졌던 다른 행성에서도 발생할 수 있음을 시사한다.
관측 결과는 또한 화성 이온층에서 나타나는 즈완-울프 효과가 단기적인 현상이 아님을 시사한다. 연구팀은 "이 효과는 화성 이온층에서 지속적으로 나타나지만, 대부분의 시간 동안에는 일반적인 플라즈마 관측 장비로는 감지하기 어려울 정도로 약할 가능성이 높다"고 설명했다.
출처: Christopher Fowler (웨스트버지니아대학교, 모건스타운, 미국) 외, Nature Communications, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-72251-9
- 뜻밖의 발견; 태양풍 입자들이 자기장 선에 의해 압축되고 방향이 바뀌는 현상
- 즈완-울프 효과;유입되는 입자들이 자기권계면에서 압축된 후, 흐름이 측면으로 휘어짐
- 즈완울프효과가 내부 자기장이 없는 행성 이온층에서도 발생할 수 있음을 처음 입증
화성 대기에서 이전에 알려지지 않았던 현상 발견돼
뜻밖의 발견:
화성 탐사선 메이븐(MAVEN)의 데이터가 행성 대기에서 이전에 관측된 적 없는 현상을 밝혀냈다. 태양풍 입자들이 자기장 선에 의해 압축되고 방향이 바뀌는 현상이다. 놀라운 점은 이 즈완-울프 효과(Zwan-Wolf-Effect)가 이전에는 지구 자기권의 바깥쪽, 즉 대기권 훨씬 바깥에서만 관찰되었다는 것이다. 더욱이 화성은 자체적인 쌍극자 자기장을 가지고 있지 않기 때문에 이론적으로 이러한 효과가 나타날 조건이 부족해야 한다.
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| ▲ 연구진은 이전에는 내부 쌍극자 자기장을 가진 행성에서만 알려져 있던 현상을 화성에서 발견했다. © LASP/ CU Boulder |
지구의 자기장은 지구를 보호하는 중요한 방어막이다. 지구의 자기권은 태양풍과 우주 방사선의 고에너지 대전 입자들을 가둔다. 이 자기장 선으로 이루어진 우리(자물쇠)는 자기장 바깥쪽에서 이러한 입자 흐름의 방향을 바꾼다. 즈완-울프 효과는 이 과정에 관여하는 요인 중 하나다. 이 효과로 인해 유입되는 입자들이 자기권계면에서 압축된 후, 압축된 입자 흐름이 측면으로 휘어지게 된다.
화성: 자기 다이나모가 없는 행성
핵심은 즈완-울프 효과의 특징적인 입자 패턴이 일반적으로 대기 상층부에서 나타난다는 점이다. 웨스트버지니아 대학교의 주저자인 크리스토퍼 파울러(Christopher Fowler)는 "이 효과가 대기에서도 나타날 것이라고는 아무도 예상하지 못했다"고 설명했다. 더욱이, 뚜렷한 쌍극자 자기장이 이 현상의 필수 조건으로 여겨졌다. 따라서 즈완-울프 효과는 지구 자기장뿐만 아니라 목성과 토성에서도 발생할 가능성이 높다.
하지만 화성의 상황은 다르다. 화성은 초기에는 자체 자기장을 생성했지만, 약 37억 년 전에 자기 다이나모 활동이 중단되었다. 그 이후로 화성은 내부에서 생성되는 쌍극자 자기장을 갖지 못하고 있다. 화성의 일부 지역에만 과거 자기장의 흔적이 국지적으로 남아 있다. 또한, 강력한 태양풍과 화성 대기의 상호작용으로 일시적으로 약한 자기장이 생성될 수 있다. 하지만 현재까지 알려진 바에 따르면, 화성은 즈완-울프 효과가 발생하기 위한 조건을 충족하지 않는다.
화성 전리층의 놀라운 구조
더욱 놀라운 것은 파울러와 그의 연구팀이 화성 탐사선 메이븐(MAVEN)의 데이터를 분석하는 과정에서 발견한 현상이다. 2023년 12월 태양 폭풍 발생 당시와 직후, 메이븐은 화성 전리층의 자기장 값과 입자 밀도를 측정했다. 파울러는 "데이터를 분석하던 중 매우 흥미로운 변동들을 발견했다"고 전했다.
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| ▲ NASA의 메이븐 탐사선이 제공한 데이터는 새로 발견된 현상을 확인시켜 주었다. © NASA/GSFC |
데이터는 국소 자기장 값이 급격히 상승했다가 점차 감소하는 다섯 개의 평행 구조를 보여주었다. "동시에 탐사선은 이온층 플라스마 밀도의 상당한 변동을 감지했다. 이온 밀도는 이러한 자기 구조의 선두에서 30~40% 감소했다가 서서히 다시 증가했다"고 파울러와 그의 동료들은 보고했다. 이와 동시에 구조 선두에서 감지된 입자의 에너지도 증가했다. 데이터는 국소 자기장 값이 처음에는 급격히 증가했다가 점차 감소하는 다섯 개의 평행 구조를 보여주었다. 내부 자기장이 없는 행성에서 최초로 발견된 현상이다.
연구진에 따르면, 이러한 데이터는 다른 측정 결과와 함께 MAVEN이 화성 대기에서 관측한 구조가 즈완-울프 효과에 의한 것임을 시사한다. 파울러와 그의 연구팀은 "우리는 즈완-울프 효과가 내부 자기장이 없는 행성의 이온층에서도 발생할 수 있음을 처음으로 입증했다"고 밝혔다.
기존의 가정과는 달리, 화성의 태양 폭풍으로 인해 생성되는 자기장은 행성 표면의 일부에만 존재하지만, 태양풍 입자를 압축하고 편향시키기에 충분하다. 태양풍에 의해 생성된 화성의 자기장은 진정한 쌍극자 자기장보다 크기가 작고 약하기 때문에, 이 현상은 지구보다 낮은 고도에서 나타난다. 즉, 화성 대기권 상공이 아니라 행성 표면에서 200km도 채 되지 않는 전리층에서 발생한다.
"우리가 몰랐던 물리적 과정들"
"바로 이 점이 매우 흥미로운 부분이다. 이전에는 알지 못했던 물리적 과정들을 밝혀냈기 때문이다"고 파울러는 말했다. 이번 연구 결과에 따르면, 즈완-볼프 효과는 자체적으로 생성된 쌍극자 자기장을 필요로 하지 않는다. 화성의 낮 쪽에 일시적으로 형성되는 태양풍에 의해 생성된 부분적인 자기장만으로도 충분하다. 이 발견은 이 현상이 자기장이 없다고 여겨졌던 다른 행성에서도 발생할 수 있음을 시사한다.
관측 결과는 또한 화성 이온층에서 나타나는 즈완-울프 효과가 단기적인 현상이 아님을 시사한다. 연구팀은 "이 효과는 화성 이온층에서 지속적으로 나타나지만, 대부분의 시간 동안에는 일반적인 플라즈마 관측 장비로는 감지하기 어려울 정도로 약할 가능성이 높다"고 설명했다.
출처: Christopher Fowler (웨스트버지니아대학교, 모건스타운, 미국) 외, Nature Communications, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-72251-9
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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