수성의 표면과 대기권

7. 수성의 표면과 대기권

 수성의 표면온도는 442.5k이다. 그러나 일반적인 기온은 100~700k로 극단적이다. 이것은 대기가 거의 존재하지 않고 적도와 극의 온도 차이가 크기 때문이다. 수성의 태양 직하점의 온도는 원일점에 있을 때는 550k이고 근일점에 있을 때는 700k까지 상승한다. 반면 밤인 쪽은 평균온도 110k이다. 수성 표면에서 태양빛의 세기는 태양 상수가 지구의 태양 상수보다 4.59~10.61배 크기 때문에 매우 강하다. 

수성의 대기

 이렇게 표면온도가 높지만 수성을 관측하면 얼음이 존재한다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 극의 깊숙한 곳에 있는 분화구는 직접적으로 태양빛을 받지 않아 온도가 102k 아래로 내려가기 때문이다. 얼음은 레이더를 잘 반사시키는 특징이 있다. 1990년대 초반에 과학자들은 골드스톤 복합단지의 70m 망원경과 VLA을 이용하여 극 근처를 관측하다가 높은 알베도를 갖는 곳을 관측했다. 얼음으로 덮인 지역은 1,014~1,015kg 상당의 얼음이 있을 것으로 추정되며, 표토층으로 덮여있을 것으로 추측된다. 지구의 남극에는 4x1,018kg, 화성 남극에는 1,016kg 상당의 얼음이 존재한다. 얼음의 기원은 아직 밝혀지지는 않았지만 두 가지 설이 유력하게 제기되고 있다. 하나는 행성 내부의 물이 기화했다는 설이고, 다른 하나는 혜성과 충돌하여 얼음이 퇴적되었다는 설이다.

 수성은 대기를 오랜 시간동안 잡아 두기에는 중력이 너무 작다. 수성의 외기권은 수소, 헬륨, 산소, 나트륨, 칼슘, 칼륨과 여러 미량 원소를 포함하고 있다. 또 수성의 외기권은 불안정하며 끊임없이 소멸하고 다시 생성된다. 수소와 헬륨 원자는 태양품에서 온 것으로 추측되는데 다시 우주로 탈출하기 전에 수성의 자기장을 흩어진다. 메신저는 많은 비율의 칼슘, 칼륨, 하이드록시기, 마그네슘, 산소, 실리콘, 나트륨을 발견했다. 지금 존재하는 수증기는 혜성과 충돌한 것을 비롯한 여러 가지 현상이 복합적으로 작용하여 생성된 것이다. 특히 많은 양의 물과 관련된 이온이 발견된 것은 놀라운 일이었다. 왜냐하면 과학자들이 이런 종류의 이온은 수성의 우주 환경에서 태양풍에 의해 날아간다고 추측했기 때문이다. 1980~1990년대 나트륨, 칼륨, 칼슘이 수성 대기 속에서 발견되었는데, 여러 원소는 미소 유성우와 수성 표면의 암석이 충돌하여 증발했기 때문인 것으로 굳어졌다. 2008년 메신저가 마그네슘을 발견했는데 다른 연구에서는 나트륨 방출이 이루어지는 장소가 행서의 자기극과 일치한다는 결과가 나왔다. 이것은 자기권과 행성 표면 사이의 상호작용이 있을 알려준다.

9. 수성의 자기장과 자기권

 수성은 작은 크기와 59일이라는 느린 자전 속도에도 불구하고, 강한 영향을 주는 자기장을 갖고 있다. 매리너 10호의 수성 자기장 크기 측정 결과 지구의 1.1% 임이 밝혀졌다. 수성 적도에서 자기장의 세기는 300T이다. 수성은 지구처럼 쌍극자 자기권을 갖고 있다. 그러나 지구와 다르게 수성의 양극은 수성의 회전축과 나란하다. 매리너 10호와 메신저가 측정한 결과 자기장의 형태와 세기가 일정하다는 것이 밝혀졌다. 자기장은 다이너모 효과를 통해 발생하는데 어느 정도는 지구 자기자의 원인과 비슷하다. 이 다이너모 효과로 행성의 핵은 회전한다. 특히 수성의 큰 이심률로 인한 강한 기조력은 다이너모 효과를 일으키는데 필요한 핵을 액체 상태로 유지시킨다.

 수성의 자기장이 매우 희박하지만 해성 주의의 태양풍을 막고, 태양풍 플라스마를 가둘 만큼 약하지는 않다. 그러나 행성 표면의 우주 풍화의 원인이 된다. 매리너 10호는 밤인 쪽의 자기장에서 낮은 에너지의 플라스마를 감지했다. 또 자기장의 꼬리에서 폭발하는 고에너지 입자도 발견했다.

 2008년 10월 6일 메신저가 두 번째로 스윙바이를 하는 동안 '구멍 난 자기장'을 발견했다. 또 자성 토네이도를 발견했는데 이 토네이도는 폭이 80km로 행성 반지름의 1/3을 차지한다. 이 토네이도 형태는 자기장이 태양풍을 매개로 수성 자기장과 접촉했을 때 형성된다. 태양풍이 불어 수성 표면에 걸쳐 작용하면, 난입해 온 자기장은 태양풍과 함께 소용돌이 형태로 빨아올려진다. 이를 빛다발 현상이라 부르는데, 이는 수성 표면을 직접적으로 강타하는 태양풍을 통해 자기 차폐 현상을 일으켜 '열린 창'의 형태를 만든다.

 행성과 행성 사이 자기장의 연결 과정을 자기 재결합이라 부르는데 전 우주에서 흔한 현상이다. 자성 회오리가 생기는 지구의 자기장에서도 자기 재결합 현상이 일어난다. 그러나 재결합률은 관측 결과 수성보다 10배 높은 것으로 밝혀졌다. 수성의 재결합률의 비는 지구의 1/3에 불과한데 이것은 태양과 가깝기 때문이다.