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특성

물리적 특성

화성은 평균지름이 지구의 약 절반 정도(6,787km)인 작은 행성이다. 밀도 역시 3.933g/㎤로 지구보다 작다. 자기장이 검출되지 않기 때문에 밀도가 낮고 금속 핵이 없을 것으로 여겨진다. 화성의 희박한 대기는 대부분이 이산화탄소로 이루어져 있고 질소 및 아르곤도 있으며 수증기의 흔적도 검출되었다. 극관 중에서 사계절 동안 녹지 않는 부분은 물의 얼음이며, 계절적으로 형성되는 부분은 이산화탄소의 얼음이다. 화성도 지구처럼 자전축이 기울어져 있고 대기를 가지고 있기 때문에 계절이 있다. 그러나 평균 표면대기온도가－23℃이기 때문에 매우 춥다.

지형적 특성

남반구는 오래된 지형이며 운석구덩이들이 많지만, 북반구는 대부분의 지역이 화산이나 바람에 의해 새로운 물질로 덮였기 때문에 운석구덩이가 적다. 화성표면의 특징 중에는 화산, 넓은 용암대지, 여러 종류의 계곡과 협곡, 사태(沙汰)의 흔적 등이 있다. 이들 대부분이 지구상의 것들보다 크다. 예를 들면 올림포스몬스는 알려진 것으로는 태양계에서 가장 큰 화산으로 지름이 600km 이상이며 높이는 2만m가 넘는다. 다른 거대한 화산들도 올림포스몬스와 같은 지역에 있는데 이곳은 길이가 4,000km나 되며 주위의 북반구 평원보다 1,000m 이상 높은 타르시스 융기지역이다. 화성 계곡은 계곡지대를 구성하는 적도지방의 거대한 단층지형이다(길이가 4,000km 가 넘음). 이 단층은 화성의 지각이 분리·이동하기 시작하는 징조로 해석되었다. 화성 표면에 단층지형이 흔하긴 하지만 대륙이동의 증거를 보이지는 않는다.

화성에서 발견되는 운석구덩이의 일부는 수성과 달에서 발견되는 것들과 비슷하지만, 새로운 형태도 발견되었다. 이런 종류의 운석구덩이는 운석이 표면에 충돌할 때 밖으로 분출된 물질이 솟아오른 가장자리를 만들기 때문에 누벽(壘壁)운석구덩이라고 부른다. 이런 특징은 분출물이 충돌에 의해 날아가 떨어진 후 바깥으로 흘러가 탄도학적으로 예측한 것보다 더 넓은 지역까지 퍼졌다는 것을 나타낸다. 한편 이런 움직임은 땅 밑의 얼음 때문에 일어날 수도 있다. 화성에서 발견된 계곡들은 흐름계곡, 유출계곡, 침식계곡으로 분류된다(하상). 흐름계곡은 지구상의 강계곡과 비슷한 나뭇가지 모양의 망상조직이다.

이런 형태는 유체에 의한 침식을 나타낸다. 유출계곡은 훨씬 크며, 근처에 있는 상자협곡이라 불리는 함몰지역에서 시작되어 하류로 갈수록 크기가 작아진다. 이런 것들의 형성원인이 완전히 밝혀진 것은 아니지만 최근의 이론에 의하면 지하얼음의 용해, 고체얼음, 바람에 의한 침식 때문에 생긴 것으로 여겨진다. 침식계곡은 벽을 따라 일어난 사태에 의해 변형된 넓은 골짜기들의 망상구조이다. 바람은 화성의 중요한 요소이다. 모래언덕이나 운석구덩이의 꼬리처럼 바람에 의해 형성된 퇴적지형을 흔히 볼 수 있다. 지금까지 발견된 것 중 가장 큰 모래언덕평원은 북극 극관 주위에 고리 모양을 이루고 있다. 물질들이 불꽃 형태로 쌓인 운석구덩이 꼬리는 장애물로 막혀 바람이 없는 곳에 형성된다.

이렇게 바람을 막아주는 지형으로는 운석구덩이나 고립된 작은 언덕 등이 있다. 매리너 9호와 바이킹 우주선은 포보스와 데이모스의 사진을 찍었다. 이 사진을 살펴보면, 위성들은 불규칙하며 운석구덩이가 있는 바위 덩어리이다. 이 2개의 위성은 화성이 형성될 때 남은 물질로 만들어졌거나, 화성역사의 초기에 화성의 중력에 의해 포획된 소행성들일지도 모른다.

공전과 자전

화성의 공전궤도는 타원형이다. 지구로부터의 거리가 일정하지 않으며, 태양으로부터의 평균거리는 2억 2,800만km로 태양과 지구 사이 거리의 약 1.5배이다. 화성의 하루는 24.5지구시간이며 1년은 약 687지구일이다.

대접근

화성은 통상 2년 2개월 만에 한 번 지구와 만나 태양-지구-화성 순으로 일직선을 이루게 된다. 이때 지구와 화성의 평균 거리는 2억 2,790만km인데, 15~17년 주기로 찾아오는 대접근 때에는 약 6,000만km까지 좁혀진다. 20세기 이후에는 1909년, 1924년, 1939년, 1956년, 1971년, 1988년, 2003년 대접근이 일어났으며, 2018년 7월 31일에는 5,758만 9,633km까지 다가온다. 이날 지구에서 보는 화성은 가장 멀리 있을 때보다 크기는 7배 크게 보이고 밝기는 16배 밝아진다고 한다.

위성

화성은 포보스와 데이모스라는 2개의 작은 위성을 거느리고 있다. 이 두 위성의 이름은 로마 신화에 나오는 마르스의 두 아들 이름에서 딴 것이다. 포보스의 지름은 약 22.2km이며 궤도의 평균 반지름은 약 9378km이다. 데이모스의 지름은 약 12.6km이며 궤도의 평균 반지름은 23,400km이다.

탐사

매리너 우주선

화성은 지구에서 가장 가까운 행성인 데다가 망원경으로 관찰된 화성 표면의 운하처럼 보이는 흔적 등 여러 특성들로 인해 많은 상상과 연구의 대상이기도 했다. 지구상의 망원경을 이용한 연구결과 화성의 대기, 극관, 알베도의 특징, 위성의 존재를 입증할 수 있었지만 그 특성을 알 수는 없었다. 우주선을 이용한 최초의 화성영상은 화성을 스쳐 지나가는 임무를 띤 미국의 행성 탐사선
name="ID6">매리너 4(1964)·6·7호(1969)가 보내온 것이었다. 이 우주선들은 달의 표면처럼 운석 구덩이가 있는 남반구의 영상을 보여주었다. 최초로 화성 주위를 도는 우주선이었던 매리너 9호(1971)는 더 많은 화성표면 사진을 찍었으며, 이를 통해 화산, 넓은 용암대지, 여러 종류의 계곡과 협곡, 사태(沙汰)의 흔적 등을 발견했다. 이 사진들 덕분에 남반구와 북반구가 매우 다르다는 것이 알려졌다.

바이킹 우주선

1970년대말 2대의 바이킹 우주선이 화성표면의 자세한 사진을 찍을 수 있었다. 바이킹 착륙선은 화성표면에서 다양한 실험을 했으며, 그중에는 미생물 같은 생명체의 존재를 찾기 위한 실험도 포함되어 있었으나 긍정적인 결과는 얻지 못했다.

패스파인더 탐사선

1998년 7월 4일 화성탐사선 패스파인더와 소형 이동식 탐사선 소저너가 화성에 착륙해 82일간 활동하면서 사진 1만 6,000장과 화성대기의 성분 등 26억비트 분량의 자료를 전송해 왔다. 자료에 따르면, 과거 화성에 대량의 물이 있었다는 증거를 강력히 시사하고 있다. 과학자들은 아레스 밸리스 평원의 암석사진을 분석해 여러 차례 대홍수가 있었던 흔적을 찾아냈다. 또한 화성 토양을 분석한 결과 화성의 암석에 규소가 많다는 사실을 밝혀내 화성에는 화산활동이 드물었다는 지금까지의 정설을 뒤집었다.

패스파인더호 착륙지 주변의 낮 평균기온은 영하 12도, 밤에는 영하 76도로 지구에 비하면 매우 저온상태인 것으로 나타났다. 또한 공중에는 철분이 많아 붉은 빛을 띤 고운 흙이 스모그처럼 떠다니는 것으로 알려졌다. 화성에는 모래폭풍이 끊임없이 일고 있으며 특히 밤에만 나타나는 미세한 얼음결정으로 이루어진 구름도 존재하는 것으로 밝혀졌다. 패스파인더호의 기후자료를 종합해 보면 화성에서는 수분 간격으로 극심한 기압변화가 일어나 지구에 비하면 매우 변덕스러운 날씨를 보이는 것으로 알려졌다.

글로벌 서베이어 탐사선

1999년 3월부터 화성 궤도에 자리잡고 저고도에서 화성 표면, 대기권, 지표 아래 활동에 대한 관측 활동을 진행했다.

스피릿과 오퍼튜니티 탐사선

소저너에 이어 2004년 1월에 3주 간격을 두어 화성 표면에 도착한 이동식 탐사선이다. 쌍동이로 만들어졌으며, 화성 표면에서 토양과 암석의 샘플을 조사하고, 풍경을 촬영하여 전송하는 임무를 수행했다. 산화철을 발견하여 물의 존재 가능성을 입증했다. 스피릿은 2010년 모래구덩이에 빠져 이동 임무는 종료되었으나, 오퍼튜니티는 계속 활동했다.

피닉스 탐사선

2008년 5월 26일 화성에 도착한 고정식 탐사선으로, 화성의 북극 근처에 도착하여 토양 샘플을 채취했고, 가열하여 수증기를 검출하는 데 성공하였으며, 그 결과를 분석한 후 2009년 8월 미국항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration)에서 공식적으로 화성에서 물의 존재가 확인되었음을 발표했다.

큐리오시티 탐사선

화성과학실험실(MSL, Mars Science Laboratory)이라고도 부른다. 2012년 8월 적도 아래에 도착하여 표면 탐사 임무를 수행했다. 소형 차 크기로, 화성을 탐사한 이동형 탐사선 중 가장 크다. 드릴이 장착되어 있어 암석을 뚫어 채집, 분석할 수 있다.

인사이트 탐사선

2018년 5월 5일 화산의 지진 활동 탐지를 주요 목적으로 발사된 인사이트 탐사선에는 고감도 지진계와 열 유동 검사장비가 설치되어 있어 화성의 지진 활동과 지표면 아래의 열 흐름을 측정할 수 있다. '인사이트'라는 이름은 ‘지진조사, 측지, 열 수송 등을 이용한 내부 탐사(Interior Exploration Using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport)’의 영문 앞글자에서 비롯된 것이다.

인사이트 탐사선은 206일간의 비행 끝에 2018년 11월 26일 화성 적도 근처 엘리시움 평원에 착륙했다. 인사이트 탐사선은 극초단파 안테나로 위치신호를 보내며, 함께 발사된 큐브샛 마르코 2대를 통해 인사이트 탐사선과 주변 풍경이 촬영된 사진을 전송했다. 인사이트 탐사선의 최종 목표는 착륙 후 2년 동안 화성의 지진 활동인 '마스퀘이크'를 탐지, 화성 지각 내부의 구조와 지진활동, 지표면 근처의 열 이동 상황을 조사하여 화성 내부의 3D 이미지와 결합해 화성 내부의 지도를 만드는 것이다.

아밀 탐사선

아랍에미리트에서 2020년 7월 20일 발사한 화성 탐사선으로 2021년 2월 9일 화성 궤도에 진입했다. 아말의 주 임무는 화성의 연중 기후도를 작성하는 것으로, 고도 2만~4만 3천 km의 경사 궤도를 선회하며 화성의 1년(지구 기준 687일)동안 대기 변화를 관측한다. 이전까지의 화성 궤도 탐사선들은 모두 극 궤도에 고정되어 있어 화성 전체를 관측할 수 없었다.

톈원 1호 탐사선

중국의 화성 탐사선으로 2020년 7월 23일 발사되어 2021년 2월 10일 화성 궤도에 도착했다. 화성 궤도를 도는 궤도선과 착륙선, 탐사 로버로 구성되어 있으며, 2021년 5월 15일 착륙선을 화성 유토피아 플라니티아 충돌구에 착륙시켰다. 착륙선에는 탐사 로버 주룽이 탑재되어 있으며, 탐사 로버 주룽도 이날부터 탐사를 시작, 화성 토양과 수분 샘플을 수집, 2030년에 귀환한다. 텐원 1호는 궤도선과 착륙선, 탐사 로버를 동시에 운용한 첫번째 사례로 기록되었다.

퍼서비어런스 탐사선

미국의 15번째 화성 탐사선이자 5번째 탐사 로버로, 2020년 7월 30일 지구를 출발하여 2021년 2월 18일 화성 북반구 예제로 충돌구에 착륙했다. 길이 3m, 높이 2.2m, 무게 1,050kg인 6륜 탐사차량이며 과거의 화성 생명체 흔적을 찾고 화성 토양 표본을 수집하는 것이 주 임무이다. 퍼서비어런스는 화성 기준 1년(지구 기준 687일) 동안 화성의 토양 표본을 수집하여 용기에 담아 화성 땅에 묻어 보관한다. 수집한 용기는 이후 다른 우주선에 의해 수거되어 2031년 지구로 이송한다.

퍼서비어런스의 부대 임무는 동력 비행체 실험과 산소발생실험이다. 화성 대기의 밀도는 지구의 1% 정도에 불과하기 때문에, 이륙에 필요한 양력을 얻기 위해서는 날개인 로터가 지구에서보다 10배 이상 빨리 회전해야 한다. 또한 퍼서비어런스는 장래 화성 유인 탐사를 위해 화성 대기의 95%를 구성하는 이산화탄소에서 산소를 추출하는 실험을 시행한다.

인저뉴어티

퍼서비어런스에는 높이 50cm, 무게 1.8kg인 소형 헬리콥터 인저뉴어티(Ingenuity)가 탑재되어 있다. 인저뉴어티는 지구에서 원격으로 조종되는 드론 형태의 비행체로, 소형 카메라 2대, 내비게이션 센서, 태양열 전지가 장착되어 있어 고해상도 화성 사진을 여러 고도에서 촬영하여 전송하는 임무를 수행하며, 대기가 지구의 1% 정도로 희박한 화성의 대기층에서 비행할 수 있도록 탄소섬유로 제작된 날개 4개가 분당 2,400회 회전한다.

동체 크기는 티슈 상자 크기인 인저뉴어티는 지구 외의 천체에서 대기 중 이동의 가능성을 탐색하기 위한 비행체로 카메라 외의 과학 탐사 도구나 측정기는 탑재하고 있지 않으며, 해가 없을 때에는 영하 90도까지 떨어지는 극한 조건에서도 견딜 수 있도록 제작되었다. 발사 당시 총 5회의 비행을 예정하고 있었으며, 비행이 성공할 경우 목성의 위성이나 토성 등 생명체 거주 가능성이 있는 행성이나 위성의 탐사에 인저뉴어티 비행에서 축적된 기술을 사용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

2021년 4월 19일 인저뉴어티는 화성 지상에서 비행하는 1차 시험에 성공했다. 인저뉴어티는 이날 지면을 이륙하여 고도 3m까지 상승, 30초 동안 정지해 있다가 96도 회전하고 다시 내려와 착륙하는 등 약 40초간 비행하면서 고정 각도에서 흑백 사진을 촬영하는 데 성공했다. 이는 인류가 만든 동력 비행기가 지구 밖 천체에서 비행한 최초의 기록이다. 인저뉴어티는 4월 22일 2차 비행을 통해 과거 생명체의 흔적이 있을 가능성이 높은 예제로 크레이터에서 고도 4.9m까지 상승, 51.9초 동안 비행하고 2.1m 옆으로 이동했으며, 다양한 각도에서 컬러 사진을 촬영했다.

4월 25일 시행된 3차 비행에서는 5m 상승한 후 초속 2m의 속도로 수평 이동을 시작, 북쪽으로 최대 50m를 이동한 후 이륙지점으로 돌아와 착륙했고, 4월 30일 시행된 4차 비행에서는 수평 이동 속도를 초속 3.5m로 높인 후 남쪽으로 133m까지 왕복한 후 컬러 사진을 찍고 이륙지점으로 돌아왔다. 이때 착륙선 퍼시비어런스호가 인저뉴어티의 비행음을 녹음했다.

5차 비행은 5월 7일 시행되었으며, 10m 상공까지 상승한 후 초속 3.5m로 남쪽 129m 지점으로 이동하여 새로운 지점에 착륙했다. 5차 비행까지 기술적 시험 비행 단계를 완료하면서, 원래의 5차례 비행 계획은 이후 추가 운영 비행 계획으로 전환되었다. 인저뉴어티는 2021년 12월 5일까지 17번 비행에 성공하면서 총 누적거리 3,592m, 누적시간 30분 48초를 기록했으며, 최고 비행고도 12m, 최고시속 16km를 달성했다.

생명체의 존재 가능성

지구와 환경이 유사하며, 물이 있을 것으로 추정되었기 때문에, 생명체의 존재 가능성에 대한 탐사가 계속되었다. 1970년대의 바이킹 우주선 탐사에서는 본격적으로 화성의 표면에서 미생물을 찾기 위한 실험을 진행하기도 했다. 그러나 화성 생명체의 존재여부는 밝혀지지 않은 상태이다. 2015년 9월 미국항공우주국은 화성에 액체 상태의 물이 소금물 개천 형태로 흐르고 있다고 발표했다.

해당 지역은 화성 표면에서 상대적으로 따뜻한 곳으로, 계절에 따라 어두운 경사면이 나타났다 사라지는 지형인 ‘RSL(Recurring Slope Lineae)’이다. RSL은 길이 100m 내외, 폭 5m 내외의 가느다란 줄 형태로 된 지형으로 영하 23도를 기점으로 온도가 올라가면 생기고 온도가 내려가면 사라진다. 미국항공우주국은 RSL이 염화나트륨이나 염화마그네슘과 같은 염류를 포함한 물로 추정된다고 밝혔다. 염류가 포함돼 있으면 어는점(Freezing Point)이 낮아져 화성의 낮은 온도에서도 액체 상태의 물로 흐를 수 있다.

2018년 7월 27일, 이탈리아 국립천체물리연구소(INAF)가 국제 과학 학술지 <사이언스(Science)>에 개재한 논문에 따르면 2003년 발사된 화성 탐사위성 '마스 익스프레스(Mars Express)'가 2012년 5월부터 12월까지 보내온 화성 남부 평원 지하 측정 데이터를 분석한 결과, 화성 남극으로부터 북쪽으로 약 500km 떨어진 지점의 1.5km 깊이 지하에서 길이가 20km에 달하는 액체 상태의 물이 고여있는 호수가 발견되었다고 밝혔다.

화성 대부분의 지역은 얼음으로 이루어져 있어 탐사에 사용된 레이더를 잘 통과했지만, 이 지역은 호수가 있을 것으로 추정되는 지하 1.5km 지점에서 전자기파가 강하게 튕겨 나왔다고 한다. 표면 온도는 영하 110℃이며, 호수가 있을 것으로 추정되는 지점도 영하 70℃에 가깝다. 낮은 온도에도 불구하고 액체 상태로 존재할 수 있는 까닭은 마그네슘, 칼슘, 나트륨과 같은 성분이 녹아 있고, 지하는 표면보다 압력이 높아 어는점이 더욱 낮기 때문이다. <사이언스>지는 이번 연구 결과에 대해 수십년간 이어져온 화성에 액체 상태의 물이 있는지를 둘러싼 논란을 종지부 찍을만한 발견이라고 평가했다.