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[꽃야구]

태양계

태양

태양광구

태양의 상층 대기는 투명해서, 우리는 그 아래의 얇은 대기층을 꿰뚫어 볼 수 있다. 그러나 우리의 시선이 강한 빛을 내는 더 깊은 층에 이르게 되면, 우리는 더 깊은 층을 꿰뚫어 볼 수 없다. 태양에서 우리의 시야가 불투명해지기 시작하는 영역, 즉 육안으로 볼 수 있는 태양의 영역을 광구라고 한다.광구 아래에 존재하는 기체도 태양의 대기층에서처럼 태양 내부에서 생산된 광자를 흡수하고 재 방출한다. 그러나 이 광자들이 곧 다른 원자들에 의해 붙잡혀 태양 내부에 남게 되면 우리는 이들을 볼 수 없다. 광구에서 흡수되었다가 재 방출되어 태양을 이탈한 광자만이 지구까지 날아 올 수 있다.태양 대기가 투명한 상태에서 완전히 불투명한 상태로 변하는데에 필요한 거리는 400km에 지나지 않는다. 이 얇은 층이 바로 우리가 광구라고 부르는 대기층인 것이다. 천문학자들이 태양의 직경을 이야기할 때, 그들이 뜻하는 것은 광구로 둘러싸인 영역의 크기인 것이다. 광구를 먼 거리에서 바라 볼 때, 그 가장자리는 아주 예리하게 보인다. 만일 우리가 밖에서 태양 속으로 뛰어 들어 간다면, 우리는 태양의 표면이 어디에 있는지 전혀 인식하지 못할 것이다. 우리는 다만 주변 기체의 밀도가 점진적으로 증가하고 있음만 느낄 것이다.

채층

태양 외각 기체는 광구를 넘어 밖으로 널리 확산되어 있다. 이들 기체의 태부분은 가시 복사에 투명하며 또한 방출되는 복사량이 아주 적기 때문에 채층은 관측하기가 어렵다. 광구밖, 바로 위로 이어지는 대기층을 채층이라고 부른다. 채층은 개기일식 때 달이 태양을 가리는 순간에 관측된다. 17세기의 여러 관측자들은 광구가 달에 의해 가려진 후 잠시 동안, 달 가장자리에 얇고 가는 붉은 색의 줄무늬가 나타났다고 기술하고 있다. 그리스어로 "색깔을 띤 구"를 뜻하는 채층이라는 이름은 바로 이 붉은 "줄무늬"를 두고 명명된 것이다. 채층의 두께는 2000~3000km이다. 밀도는 밖으로 갈수록 감소하지만, 온도는 광구 상단의 4500K에서 채층 하부의 10,000K로 증가하고 있다. 태양의 온도는 중심에서 밖으로 갈수록 계속 감소하고 있다.

전이층

태양 대기에는 채층의 온도를 대표하는 10,000K에서 코로나의 온도를 대표하는 100만K로 급변하는 얇은 대기층이 있다. 이 얇은 대기층을 전이층이라고 부른다. 전이층의 두께는가변적이지만, 수만 km정도에 지나지 않는다.

전이층은 광구로부터 일정한 높이에 위치한 태양을 둘러 싼 껍질층이 아니다. 태양 가장자리에서 볼 때 스피큘(채층의 돌출물)은 투영되어 보이기 때문에 그들은 마치 우거진 수풀처럼 보인다. 스피큘은 약 31km/초 의 속도로 공구로부터 5000~10,000km의 높이까지 상승하는 제트 기류이다. 개개의 스피큘은 10분 정도 지속된다. 천문학자들은 전이 영역이 스피큘로 완전히 둘러싸여 있다고 믿고 있다.

코로나

가장 외곽에 속하는 태양 대기층은 코로나이다. 채층의 경우처럼 코로나도 개기 일식 때에관측된다.코로나는 공구로부터 밖으로 수 100만km 까지 확장되어 있으며, 그의 밝기는 보름 달 밝기의 절반 가량 된다. 우리가 코로나를 볼 수 없는 것은 광구가 너무나 강렬한 빛을 방출하기 때문이다.(밤에 운전할 때에 차안 불을 켜 놓으면 밖이 잘 보이지 않는 경우이다.) 그러므로 가장 좋은 관측시기는 개기일식 때이다. 코로나 스펙트럼을 분석한 연구 결과에 의하면 코로나의 밀도는 대단히 적은 것으로 밝혀졌다 코로나 하단에서의 밀도는 10^16개/cm^3, 지구 해수면에서의 밀도는 10^19개/cm^3나된다.코로나의 밀도는 높이가 증가함에 따라 급격히 희박해지며, 이 때의 밀도를 지상 실험실 표준으로 비교해본다면, 고 진공 상태에 해당된다.
코로나 온도는 대단히 높다. 이러한 사실은 코로나에서 관측되는 스펙트럼 선들이 고도로 전리된 Fe, Ni, Ar, Ca등(수 백만 도의 온도에서 고도로 전리되는 원소)의 원소들로부터 방출되는 것에서 알 수 있다.
이러한 태양의 외곽 대기층이 가열되어 광구보다 훨씬 높은 고온 상태를 유지할 수 있는 요인에는 자기장이 있다. 태양도 행성들처럼 거대한 자기장을 갖고 있다. 이 복잡한 구조를 지닌 자기장은 대전 입자들로 구성된 얇은 기체 층에 강력한 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 하층 대기로부터 부상한 자기장이 채층과 코로나에 운반되면 자기장이 전류로 전환되면서 저장해 두었던 에너지가 방출되어 주변의 기체를 가열시킨다.

태양풍

태양 대기에서 발생되는 현상 중 가장 돋보이는 것은, 주로 양성자와 전자들로 이루어진입자의 흐름으로 알려진 태양풍이다. 이때 입자들은 태양으로부터 약 400km/s의 속도로 방출된다. 태양풍이 존재하는 것은 코로나를 구성하고 있는 기체의 온도가 아주 높아, 입자의운동 속도가 너무나 커져서 태양 중력으로는 이들의 입자를 도저히 잡아 둘 수 없기 때문이다.
지구에 사는 우리는 지구 대기와 지구 자기장에 의해서 태양풍으로부터 보호를 받고 있다. 지구 자기장의 자력선은 자극의 북극에서 나오 남극으로 진입한다. 따라서 지구에 도달한태양풍 입자들은 자력선을 따라 하강하면서 지구의 상층대기에 이른다. 상층 대기에 진입한 입자들은 공기 분자나 원자들과 충돌하여 아름다운 '오로라'를 일으키며 이것의 영향으로 혜성의 꼬리는 항상 태양 반대방향으로 생긴다. 그리고 이들이 지구에 도달하면 자기폭풍을 일으키는데, 송전선이 격동되어 고장이 나거나 또는 전화와 무선통신이 교란되며, 항공기의 나침반도 잘못된 방향을 가르키기도 한다. 이런현상을 델린져현상이라 한다.

쌀알무늬

태양 표면을 관측해 보면 광구는 쌀알을 뿌려 놓은 것처럼 보인다. 이것을 쌀알무늬라고 부른다. 쌀알무늬의 쌀알 하나의 지름은 700~1000km에 이른다. 밝은 영역은 가늘고 어두운 영역으로 둘러싸여 있으며, 이것들은 5~10분동안 지속된다. 밝은 부분은 광구로부터 뜨거운 기체가 솟아오르는 영역이다.(이 현상은 태양이 내부로부터 열 에너지를 밖으로 내보내고 있다는 증거중의 하나이다.) 속아 오른 기체가 광구에 이르면, 사방으로 펴지며, 결국 쌀알 사이의 어두운 영역으로 가라앉는다. 쌀알 중심의 온도는 쌀알과 쌀알 사이의 어두운 영역보다 50~100K정도 높으며, 쌀알 내 기체의 상승 속도는 2~3km/s에 이른다. 그리고 어두운 부분은 에너지가 고온의 하층에서 저온의 상층으로 이동되어 온도가 떨어져 어둡게 보이는 것이다.

흑점

광구에서 관측되는 특징 중 가장 돋보이는 것은 태양 흑점이다.
흑점은 자신이 파묻혀 있는 광구보다 어둡게 보이는데, 그 까닭은 흑점의 온도가 주변 광구보다 약 1500K 낮기 때문이다.
흑점의 수명은 수 시간에서 수 개월에 이른다. 흑점은 중앙부의 어두운 본영과 그를 둘러싸고 있는 보다 덜 어두운 반영으로 되어 있다. 지구보다 훨씬 크게 성장하는 흑점도 많으며, 개중에는 지름이 5만 km 이상이 되는 것도 있고 흔히 2~20개 이상의 흑점들이 모여있다.
태양의 자전 운동 때문에 생기는 흑점의 이동을 보정한 다음 흑점을 자세히 살펴보면, 흑점은 지구에서 일어나는 태풍처럼 한 장소에 머물러 있지 않고 서서히 표류하고 있다는 것을 알 수 있다. 태양의 자전 주기는 적도에서 25일, 위도40。에서 28일, 위도 80。에서 36일로 위도에 따라 조금씩 다르며, 자전방향은 서에서 동으로 향한다. 이것은 행성의 공전 운동방향과 동일한 방향이다.
흑점의 극대기는 평균 11.1년의 간격으로 일어났지만, 연속되는 두 극대기 사이의 기간은 짧게는 8년에서 길게는 16년을 그변화 폭이 크다.

플레어

태양 표면에서 일어나는 현상 중아 가장 장엄한 것은 급격하고 격렬한 분출 현상으로 관측되는 태양 플레어이다. 플레어는 보통 5~10분 지속되며, 플레어가 발생하면 수소탄 100만 개에 해당하는 엄청난 에너지가 방출된다. 가장 큰 플레어는 수 시간 지속되며, 이 때 방출되는 에너지는 현재 미국의 전력 소비률로 따져서 미국이 10만년 동안 사용하고도 남을 정도의 것이다. 흑점 극대기에서 플레어의 발생률은 소규모의 것은 하루에 평균 3~5개, 대규모의 것은 수 주에 한번 꼴로 일어난다.
플레어는 흔히 수소의 붉은 선으로 관측되지만 가시영역에서 방출되는 에너지는 플레어 폭발시 방출하는 에너지에 비하면 극히 작다. 플레어가 폭발하는 순간 방출되는 질량은 1천만도까지 가열되어 엄청나게 많은 X-선과 자외선 복사가 방출된다.

홍염

홍염은 태양 내부의 힘으로 인하여 표면에서 수 만 km 높이로 분출되어 상층까지 뻗는 것으로 여러 가지 모양으로 나타날 수 있으며 개기일식때 상층까지 상승하는 홈염을 관측할 수 있다.

수성

태양에서 가장 가까운 행성

태양계의 9개 행성 중에서 가장 안쪽에 위치한 수성은 매우 일그러진 타원궤도를 그리면서 태양 둘레를 공전하고 있다. 공전궤도의 이심률은 0.21로서 수성은 태양에서 가까운 근일점에서는 4천 6백만km, 가장 먼 원일점에서는 7천만km 떨어져 있게 된다. 따라서 태양과 수성 사이의 평균거리는 5천 8백만km가 되는 셈이다.
수성이 공전 궤도상에서 움직이는 평균 공전속도는 47km/sec인데, 이것은 지구의 평균 공전속도 30km/sec보다 크다. 수성은 공전궤도가 가장 작고 또 가장 빠른 속도로 공전하기 때문에, 88일 만에 태양의 둘레를 공전하게 된다.
수성의 공전주기는 모든 행성 중에서 가장 짧다.
수성은 위성을 갖고 있지 않기 때문에 그의 질량을 케플러 법칙으로부터 구할 수 없다. 그러나 다행히 1974년 매리너 10호가 수성을 근접 통과할 때 매리너 10호에 미친 중력의 효과를 측정함으로써 수성의 질량을 비교적 정확히 구할 수 있었다. 수성의 질량은 지구 질량의 0.055배인 3.3*10^23Kg이다. 질량을 사용하여 수성의 평균 밀도를 구하면 5.4g/cm^3의 값을 얻게 되는데, 이 값은 지구의 평균 밀도와 거의 동일하다. 수성의 평균 밀도가 지구와 비슷
하다는 사실은 수성도 지구처럼 그 중심에 철이나 니켈과 같은 밀도가 큰 물질이 밀집되어 있으며, 규산염으로 된 맨틀이 그 위를 쌓고 있음을 암시해 준다. 수성은 질량이 작아서 그 표면 중력은 지구의 0.38 배밖에 안 된다. 따라서 수성의 이탈속도는 지구의 이탈속도 11.2km/sec보다 훨씬 작은 4.2km/sec에 불과하다. 지구에서 관측되는 수성의 크기는 각으로 6"(초)밖에 안 된다. 지구에서 볼 때 수성은 항상 태양 주변을 따라 다니는 것처럼 보인다. 행성이 하늘에서 태양과 만드는 각을 이각이라고 하는데, 수성의 최대 이각은 18。에서 28。사이의 값을 갖는다. 그러므로 수성은 해가 뜨기 전이나 해가 진 다음에 잠시 볼 수 있을 따름이다. 수성은 -1.9등급으로 매우 밝게 보인다.
그러나 실제로 관측되는 수성의 크기는 작을 뿐만 아니라 지구대기에 의한 빛의 굴절 때문에 지상에서는 그의 자세한 모습을 보기가 어렵다.

대기가 없는 삭막한 행성

수성은 태양에 아주 가까이 있기 때문에 온도가 높다. 태양에 가장 가까이 왔을 때, 태양 직하점의 온도는 납을 녹일 정도로 뜨겁다. 즉, 700K이상에 이른다. 수성은 이처럼 온도가 높고 표면 중력이 아주 작기 때문에 그의 대기를 이루는 원소들은 모두 수성을 이탈하여 우주공간 밖으로 날아가 버렸다. 그러므로 수성은 해가 지면 대기의 온도는 급격히 내려간다. 밤에는 100K정도가 되다. 이와 같이, 수성은 낮과 밤 사이의 온도차가 심하며, 그 변화폭은 태
양계내의 모든 행성 중에서 가장 크다.

달과 매우 흡사한 표면

수성의 표면에는 많은 운석 구덩이와 분지, 그리고 절벽 등이 산재해 있다. 그런데 달과 좀다른 것은 수성의 구덩이는 달에서처럼 직경이 수백 km되는 큰 것이 드물고, 높은 산이 없으며 많은 절벽들이 수십 km까지 길게 뻗어 있다는 것이다. 수성에서도 고지대는 많은 운석 구덩이로 덮혀 있다. 수성의 구덩이들은 거의 대부분이 그 중심부에 볼록 나온 작은 봉우리가 있다. 이런 점을 보아 이들도 작은 천체들과의 충돌로 생긴 것으로 생각된다. 또한 이들의 형성시기도 대체로 30~40억 년 전이라고 생각되고 있다.

하루가 176일이나 되는 행성

1960년대 초만 하더라도 수성의 자전주기와 공전주기가 같아서 수성은 항상 동일한 면을 태양에 향한다고 생각되었다. 그러나 1965년 푸에르토 리코(Puerto Rico)의 아레시보(Arecibo)에 있는 직경 300m의 거대한 전파망원경으로 수성의 열 전파복사를 측정해 본 결과, 자전주기는 공전주기의 2/3에 해당되는 59일임이 확인되었다. 지구에서 본 자전주기 59일은 수성에서는 176일에 해당 하므로 수성의 하루는 176일이 되는 셈이다.

신비에 싸인 자기장

수성이 자기장을 가지고 있으리라는 생각은 아무도 하지 못했다. 그러나 매리너 10호는 기대하지도 않았던 자기장을 발견하였다. 그 세기는 지구 자기장 세기의 1% 정도로 아주 미약하지만, 태양풍 입자를 포획하여 자기권을 만들기에는 충분한 것이다. 수성의 자기장은 지구의 자기장처럼 쌍극성이며, 자축은 자전축과 거의 평행한 것으로 밝혀졌다. 수성은 자전속도가 적고 그의 중심부가 고체로 이루어져 있다는 점을 생각할 때 수성에 자기장이 존재한다는 것은 현재 자기장 생성 메커니즘으로는 설명되지 않는다. 현재 천체의 자기 생성 이론에 의하면 천체의 자기장은 전기 전도도가 큰 중심핵 내에 유체의 흐름이 있을 때 생성되며, 그 흐름의 에너지는 자전에너지에서 공급된다고 생각된다. 수성이 어떻게 자기장을 갖게 되었는지에 대해서는 아직까지 정확한 해답을 찾지 못하고 있으나, 몇 가지 가능성은 생각할 수 있다. 첫째로 수성의 자기장은 수성이 형성될 당시 지녔던 것이 아직까지 남아 있는 것이라고 보는 견해이고, 둘째로는 태양풍과의 상호작용에 의해서 생긴 것이라고 생각하는 것, 마지막으로 수성 중심부에 금속성 물질이 존재하여 아직까지 알려지지 않은 기작에 의해서 자기장이 만들어진다는 것이다.

금성

금성의 기본 성질

금성은 여러 가지 면에서 지구의 쌍둥이 형제이다. 지구 질량의 0.82배, 그리고 거의 동일한 밀도. 지질학적인 활동 정도 또한 상대적으로 높아, 태양계에서 지질학적으로 가장 복잡하고 다양한 표면 중의 하나를 이루고 있다. 반면 금성의 대기는 지구보다 훨씬 두꺼워 표면 압력이 지구의 약 100배에 달한다. 금성의 표면은 몹시 뜨거워, 온도가 730K에 이른다.

표면

착륙에 성공한 소련의 베네라 우주선은, 표면 압력이 90 기압인데에다 납과 아연을 녹일 만큼 뜨거운 온도의 극심한 환경에 도착했음을 보고했다. 이런 최악의 조건에도 불구하고, 착륙선은 장비들이 버틸 수 없는 순간까지 주위를 사진 찍고, 표면 샘플을 모아서 화학적분석을 하였다. 그들은 착륙 지점의 암석이 화성암계로서, 대부분이 현무암이라는 것을 알아냈다.
태양은 두껍고 불투명한 구름을 뚫고 직접 비출 수는 없으나, 그래도 표면은 산란된 빛으로 꽤 밝아 보인다. 조명 도는 지구에서 매우 두껍고 낮은 구름이 끼었을 때와 비슷하지만, 강한 붉은 기운이 서려있다. 이는 두꺼운 대기가 파장이 짧은 색을 가진 빛을 모두 가려버렸기 때문이다. 이처럼 두껍게 대기가 덮여 있어서 날씨는 항상 뜨겁고 건조하며 바람이 없다. 두꺼운 대기와 구름 때문에 금성 표면의 한 지점의 날씨는 다른 지점과 별 차이가 없다.

금성의 대기

금성 대기에 가장 많은 기체는 이산화탄소로 전체의 96%를 차지한다. 두 번째로 많은 기체는 질소이다.
이러한 기체들 외에도 금성 대기에서는 이산화황(SO_2)이 발견된다. 이 기체는 금성의 구름속 화학 반응들에 중요한 역할을 한다. 대체로 금성 대기는 매우 건조한데, 이 같은 수분의 결핍은 지구와 크게 다른 점 중의 하나이다.
금성의 대기는 표면에서 적어도 50km까지 연장된 거대한 대류권을 가졌다. 대류권내에서 기체는 밑으로부터 가열되며, 적도 근처에서 상승하여 양극에서 하강하는 느린 순환 운동을 한다. 이 순환 흐름을 저지할 만큼 자전이 빠르지 않기 때문에 대기의 순환은 매우 안정적이다. 더구나 대기의 크기와 질량이 커서 순환의 안정도가 유지된다.
대류권의 상층, 즉 고도 30~60km 사이에는 주로 황산 방울로 이루어진 두꺼운 구름 층이 있다. 황산(H_2SO_4)은 물(H_2O)과 이산화황(SO_2)이 화학적으로 결합하여 생성된다. 지구의대기에서는 이산화황이 화산에서 분출되는 주된 기체들 중 하나이지만, 비에 의해 바로 녹아 씻어 없어진다. 금성의 건조한 대기에서는 이 불쾌한 기체가 없어질 수가 없다. 금성의 고도 30km 이하에는 구름이 전혀 없다

지구

원시 지구 대기의 형성

원시 지구가 현재 크기의 행성을 성장하는 데에는 1억년도 채 걸리지 않았을 것으로 추정되고 있다. 그러나 이 1억년 이내의 시간에 일어난 사건들은 원시 지구에 대기와 바다를 만드는데 매우 중요한 역할을 하게 된다. 반경이 현재의 1/2 정도에 달한 원시 지구에는 평균하여 1년에 1,000개 이상의 미행성이 충돌했으리라 생각된다. 그러면서 지구의 부피가 커졌으며, 지구의 중력도 점점 더 강해지게 되어 미행성을 잡아당기는 힘도 증가했을 것이다.
그 결과 더 많은 미행성의 충돌이 일어났을 것이다. 더욱이 충돌하는 미행성의 속도는 매초 수 km에서 수십 km라는 상당히 빠른 속도이다. 이에 따른 충돌이 일어날 때 미행성 및 원시 지구의 지표에 포함되어 있던 휘발 성분은 순간적으로 증발해 버리고, 이러한 일이 하루에도 몇 차례씩 반복되고, 증발한 가스는 끊임없이 지표 위를 떠다니고 그 농도는 점차 증가한다. 결과적으로 어떤 시기에 원시 지구는 현재의 금성과 같이 그 표면이 두껍고 농도가
진한 가스로 덮이게 된다. 휘발성 성분 중에서도 특히 많은 양을 차지하는 것은 물과 이산화탄소이다. 그 중 물이 80%이상이기 때문에 원시 지구의 대기는 수증기로 되어 있었다고 생각해도 좋다. 한편, 미행성의 충돌은 수증기와 이산화탄소를 방출시켜 원시 대기를 형성하는 것뿐만 아니라 다량의 충돌 에너지를 지표에 발산시키고, 이 에너지는 열 에너지로 전환된다.
원시 지구의 형성시, 방출되는 에너지의 총량은 지구가 46억년 동안 내부에서 발생시킨 열 에너지의 10배 이상에 달하는데, 그 원천은 거의가 미행성의 충돌 에너지이다. 이정도의 막대한 에너지가 전부 열로 저장된다고 하면, 원시 지구의 온도는 10,000。C를 훨씬 넘게 되고 물질이 전부 가스로 변하여 거대한 가스 성운이 되어 버렸을지도 모른다.

지구의 생명탄생 배경

지구 탄생 후 수증기와 이산화탄소의 보온 효과에 의하여 지구 표면이 마그마의 바다를 형성하게 되었으며, 지구의 냉각과 더불어 대기 중에 머물던 수증기는 대부분 비가 되어 지표로 낙하하여 원시 바다를 이루었다. 이에 따라 대기의 주성분은 이산화탄소가 되게 되었다.이산화탄소를 주로 하는 대기는 대륙의 성장, 해양에서의 침전 작용과 원시 바다에서 탄생한 생명체들에 의하여 소비되어 그 양이 점점 줄어들게 되었고, 이에 따라 질소가 대기의 주성분을 이루기 시작하였다.
산소를 만들어 낸 가장 중요한 기구는 생명의 탄생으로부터 시작되었다. 광합성 과정을 통하여 대량의 이산화탄소가 유기 화합물과 산소로 바뀌었다. 약 30억년 전에는 원시 식물인 엽록조가 광합성을 시작하여, 이산화탄소와 물과 햇빛으로부터 영양분을 만들고 부산물로 산소를 내놓았다. 이것은 대기 중에 산소의 축적을 가져왔으므로 생명의 역사에서 가장 중요한 단일 사건으로 볼 수 있다.

물의 행성 지구

지구의 최대 특징은 표면에 태양계의 행성이나 위성 중에서 유일하게 액체 상태의 물이 존재하고 있다는 점이다. 그렇기 때문에 생명이 존재할 수 있는 것이다. 지구는 대기를 안정시켜 유지할 수 있는 정도의 크기이고, 또 태양에서 적당한 거리에 있다. 대기 중으로 방출된 대량의 수증기는 응결되어 비가 되고 지표에 내렸다. 이것이 바다가 된 것이다. 바다는 대기중의 이산화탄소를 녹이고 티로써 대기중의 이산화탄소의 양은 0.03%로 온실 효과를 가져오
기에 충분한 양이 되고 있다.
금성은 태양에 너무 가까워서 온도가 높아 물은 모두 수증기 상태였다. 그래서 이산화탄소는 대기에 그대로 남게 되어 이산화탄소에 의한 온실 효과가 지나치게 높아진 것이다. 화성의 반지름은 지구의 절반 정도밖에 되지 않기 때문에 중력이 작아, 대기는 우주공간으로 달아나기 쉽다. 그래서 지표를 따뜻하게 유지할 수 있을 정도의 온실효과가 생기지 않는다. 화산 활동 등으로 분출되는 가스가 온실 효과를 일으켜 일시적으로 액체 상태의 물이 존재했을 가능성도 있다. 그러나 태양에서 멀리 떨어진 화성에서는 이산화탄소가 고체가 되어버려, 온난한 기후를 현재까지 유지할 수 없었을 것이다. 수성은 대기를 유지하기에는 너무나 작아 30여 억년전에 이미 대기를 잃고 말았다.
이러한 지구의 특징을 보면, 태양으로부터의 거리의 차이와 행성 크기의 차이가 지구의 환경을 만들어 내는 근본적인 원인이라는 것을 알 수 있다.

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화성

화성은 6790km 직경으로 지구 직경의 약 반이 조금 넘어, 전체 표면적이 지구의 대륙 총면적과 비슷하다. 밀도는 3.9g/cm_3로 주로 규산염으로 구성돼 있음을 의미하나, 중심에 금속 핵이 있을 가능성이 있다. 화성에는 측정될 만한 자기장이 없는데, 이는 중심 핵에 액체 전도체가 없음을 시사한다.
지구, 달, 그리고 금성처럼, 화성의 표면에는 대륙 즉 고지대와 저지대 화산 평원이 존재한다. 화성의 약 반 정도, 즉 주로 남반구는 충돌 구덩이가 많은 고지대이다. 나머지 반은 주로 북반구의 젊고 충돌 구덩이가 적은 화산 평원으로 평균 고도가 남반구의 고지대보다 약 4km 낮다.
이런 늙은 고지대와 젊은 저지대 평원의 구분은 수성을 제외한 모든 지구형 행성의 특징인 것 같다. 화성의 늙은 남반구 고지대에 몇 개의 큰 충돌 분지가 있는데, 제일 큰 분지는 헬라(Hellas)로 불리우며, 약 1800km 직경에 6km깊이를 가져, 달의 가장 큰 분지와 비슷한 규모이다.
화성의 주요 지형중에는 북아메리카 크기의 인상적으로 솟은 대륙이 있다. 이 대륙은 타르시스 융기(Tharsis bulge)라 불리는데, 주변보다 10km정도 솟은, 화산 활동이 활발한 지대이다. 여기에는 4개의 거대한 화산이 화성의 하늘을 향해 다시 또 15km 정도 솟아 있다.

화성의 구름

여러 가지 종류의 구름이 화성 대기에서 형성될 수 있다. 첫째 먼지 구름으로, 바람에 불려 올라가, 때로는 표면 전체의 상당부분을 가릴 수 있다. 둘째로 지구에서처럼 물 얼음으로 이루어진 구름이다. 지구에서와 마찬가지로 산 언저리에 자주 형성된다. 끝으로 대기의 이산화탄소가 높은 고도에서 응고하여 드라이아이스 결정의 연무를 이루는 것이다. 이산화탄소 구름이 지구에는 없는데, 이는 지구에서는 기온이 이산화탄소를 응결시킬 만큼 내려가지 않기
때문이다. 화성 대기가 수증기를 지니고 있어서, 간혹 얼음으로 된 구름이 형성될 수도 있으나, 화성의 현재 조건에서는 물이 액체 상태로는 존재할 수가 없다. 그 이유 중의 하나는 화성의 기온이 매우 낮기 때문이다. 그렇지만 태양빛이 내리쬐는 한여름 기온이 동결점 이상으로 올라간다. 하더라도, 액체 상태 물은 존재하지 않는다. 압력이 0.006 기압 아래에서는 물은 고체와 기체 상태로만 가능하다. 실제로 비등점 온도가 동결점 온도보다 낮기 때문에, 물은 얼음상태에서 중간의 액체 상태를 거치지 않고 바로 수증기로 증발한다.

극관

망원경으로 보면 가장 눈에 띄는 표면 형태는 밝고 흰 극관이다. 이 극관은 계절에 따라 변한다.
이 계절 극관은 지구의 눈덮인 극지방과 유사하다. 북반구의 겨울 눈을 극관의 일부로 여기지는 않지만, 우주 공간에서 보면 이 얇은 눈은 극지방의 두껍고 영구적인 빙산과 연결되어 보이기에 화성의 극관과 아주 흡사하다는 인상을 준다. 화성의 계절적 극관은 단순한 눈으로 이루어진 것이 아니라, 드라이 아이스(CO_2)로 이루어졌다. 이 축적물은 표면 온도가 약 150K이하로 떨어지면 대기로부터 바로 응결되어 쌓인다. 극관은 추운 화성의 겨울에 발달하여 봄까지 위도 50도까지 팽창한다. 이런 얇은 계절적 CO_2 극관과는 완연히 구별되는, 극 지방에 항상 존재하는 영구적인 극관이 있다. 계절적 극관이 봄과 여름 동안 줄어듬에 따라, 그 아래에 보다 밝고 두꺼운 극관이 드러난다. 남반구 영구 극관은 350km 직경에, 이산화탄소 응결 축적물에 미지의 두께를 가진
물얼음으로 이루어졌다.
남반구 여름 동안 남극관 지역은 CO_2의 응결 온도, 150K 이하를 유지할 뿐만 아니라, 이 냉동고 역할을 하는 극관은 여름의 열에도 견딜 만큼 충분히 두껍다. 북반구 영구 극관은 이와는 다르다. 이 극관은 직경 1000km 이하로는 절대로 줄어들지 않으며, 물 얼음으로 이루어져 있다. 북 반구 여름의 온도는 동결된 CO_2를 유지하기에는 너무 높다. 양쪽 극관에 있는 물얼음의 두께를 알지 못하지만, 수 km에 달할 것으로 추정된다. 어쨌든 극관은 대기에 있는 수증기의 미미한 양에 비하면 거대한 물의 저장고이다. 이 두극관이 다른 이유는, 화성의 태양 거리가 공전하는 동안 상당히 변하기 때문이다. 이는 화성의 계절이 자전축의 경사와 태양까지의 거리, 둘 다에 영향을 받음을 뜻한다.
양극 지방 위도 80도 이상의 표면에는 최근의 층화된 퇴적물들이 늙고 구덩이가 많은 땅을 전부 덮고 있다. 각각의 층은 수십미터 두께로 밝은 색과 어두운 색이 번갈아 있어 구분 된다.아마도 극지방의 축적물은 화성의 적도 지방에서 바람에 날려 올라온 먼지일 것이다. 이 계단형 층들이 의미하는 것은 어떤 주기적인 과정이 상당히 오랜 기간 동안 먼지와 얼음을 번갈아 가면 축적시키고 있다는 것이다. 이 극지방 층이 나타내는 시간 규모는 수만년 정도이다. 화성의 기후는 지구의 빙하기 사이의 시간 간격과 비슷한 주기로 변화를 겪은 것 같다. 그 원인들 또한 비슷해서, 거대한 태양계 시계가 돌아가는 과정에서 다른 행성에서 오는 중력 섭동이 화성의 궤도와 저전축 경사에 변화를 일으키게 하기 때문인 듯하다.

화성 생명체의 탐사

과거 화성에 흐르는 물이 있었다면, 수로들이 시사하는 바대로, 생명체가 있었을지도 모른다. 그러나 그럴 가능성은 매우 희박하다.
바이킹 착륙선은 화성 토양에 있는 미생물을 시험하기 위한 소형 생물 실험실을 가지고 갔다. 이 실험실에서 살아있는 생명체의 호흡, 영양분의 흡수, 토양과 주위와의 기체교환 등의 증거를 찾으려 했다. 화성의 흙을 기계 팔로 채취하여 실험 기구에 넣고, 그 흙을 격리시켜 여러 가지 기체, 방사능 동위원소, 영양소 등과 접촉하게 하면 어떤 반응이 일어나는가를 관찰했다. 네 번째 기구는 흙을 가루로 빻아 유기물질이 있는지를 분석하였다.
바이킹 실험은 매우 민감하여 아마 지구에서라면 그 어느 곳에서라도 쉽사리 생명체를 찾아냈을 것이다. 그러나 많은 사람에게 실망스럽게도, 화성에서 생명체는 발견되지 않았다.
기체 교환과 영양소 흡수 실험에서 약간의 반응을 보이긴 했지만, 이는 흙을 처음 가열하는 과정에서 생긴 화학반응 때문이지 생명 현상과는 무관하였다. 실제로 화성의 흙은 지구의 흙보다 화학적으로 매우 활성이 높은데, 이는 태양의 자외선에 노출되어 있기 때문이다. (화성에는 오존층이 없다.)
유기 화학 실험에서 유기 물질의 흔적을 찾을 수가 없었는데, 이 또한 태양 자외선의 살균효과에 의해 유기 물질이 파과되기 때문이다. 그렇다고 하여 화성에 생명체가 있을 가능성이 전혀 없다고는 할 수 없겠지만, 그 가능성은 매우 희박해 보인다. 화성은 태양계에서 가장 지구와 흡사한 환경을 가졌지만, 슬프게도 아무도 살지 않는 것 같다.

목성

태양계에서 가장 큰 행성

목성은 그의 높은 반사율 때문에 금성, 화성, 토성과 함께 육안으로도 매우 밝게, 그리고 아주 선명하게 보인다. 무엇보다도 목성은 9개의 행성들 중에서 크기에 있어서나 질량에 있어서 가장 크다. 그의 질량은 자신을 제외한 모든 행성의 질량을 합한 것보다 2.5배나 더 크며, 목성을 지구와 같은 크기의 천체로 채우려면 1,320개나 요구된다. 서양에서는 목성을 올림푸스 신들의 왕의 이름을 따서 주피터(Jupiter)라고 불렀는데 그 까닭은 그의 큰 질량과 크기에 있지 않았는가 생각된다.
목성의 겉보기 크기는 충의 위치에 있을 때 약 50"(초) 정도 된다. 목성은 태양으로부터 평균 5.2 AU의 거리를 유지하면서 11.86년의 주기로 태양 둘레를 공전하고 있다. 목성의 질량은 지구 질량의 318배인 1.9*1027Kg이고, 적도 반지름은지구 반지름의 11.2배나 되는 71,400km이다. 이로부터 목성의 평균밀도를 구하면 1.33g/cm3의 값을 얻게 되는데 이 값은 태양의 밀도와 비슷하다. 이러한 사실은 목성이 주로 가벼운 수소와 헬륨으로 구성되어 있음을 뜻한다. 그런데 목성은 질량이 대단히 크기 때문에 그의 표면 중력도 커서 지구의 2.74배나 된다. 따라서, 목성을 탈출하려면 지구의 이탈속도보다 5.5배나 큰 61km/sec가 요구된다. 목성 상층대기의 온도는 130K정도로 낮다. 이러한 온도에서 수소 분자의 속도는 목성의 이탈속도에 훨씬 밑도는 1km/sec밖에 안 되므로, 45억 년 전 목성이 형성될 당시의 대기가 지금도 그대로 보존되고 있다고 생각할 수 있다.
목성은 엄청나게 큰 행성임에도 불구하고 그 자전속도는 대단히 크다. 즉, 목성은 한 바퀴 자전하는 데에 9시간 55분 정도밖에 안 걸린다. 그런데, 한 가지 재미있는 것은 목성의 자전주기가 적도에서 극쪽으로 갈수록 길어진다는 것이다. 이러한 현상을 우리는 차등자전이라고 하는데, 이러한 차등자전은 표면이 고체가 아닌 천체에서 흔히 볼 수 있는 현상이다. 목성은 자전 속도가 빨라서 적도 반지름이 극 반지름보다 큰, 좀 납작한 타원체의 형태를 갖는다. 목성의 적도 반지름은 극 반지름보다 약 3,600km 큰 것으로 알려져 있다.

대적반과 어두운 줄무늬

보이저 탐색선이 찍은 목성의 근접사진을 볼 때 가장 먼저 눈에 띄는 것은 목성 남반구에 있는 대적반(Great Red Spot)과 적도와 평행하여 엇갈려 배열된 밝은 대와 검은 띠이다. 이들은 비교적 안전한 상태에 있는 구름들로서 그 폭과 색깔이 시간에 따라 변하는 것으로 알려 있다. 그런데 목성의 구름을 자세히 분석한 연구 결과에 의하면, 밝은 대의 영역은 검은 띠의 영역보다 온도가 낮다는 것이다. 따라서 우리는 밝은 대의 영역은 높은 압력을 지닌, 상승하는 구름의 상층부이며, 검은 띠의 영역은 압력이 낮은 하강하는 구름의 상층부에 해당한다고 생각하고 있다. 이러한 대기의 흐름을 통해서 목성 내부의 열에너지는 조금끽 밖으로 유출되는 것이다. 여기서 한 가지 주목되는 것은 100m/sec를 상회하는 강풍이 밝은 띠와 어두운 줄무늬는 이러한 강풍 때문에 형성되는 것이며, 그러한 강풍의 존재는 목성의 빠른 자전 때문에 가능한 것이다. 목성의 빠른 자전으로 발생되는 또 하나에 대기현상은 많은 사람들의 관심거리인 목성의 대적반과 그 밖의 수많은 소규모의 적반들이다. 이 적반들은 모두 목성의 빠른 자전 때문에 하강 또는 상승기류로부터 생긴 태풍들이다.
목성의 대적반은 폭이 1만 4천km, 길이가 4만km로 지구를 3~4개 집어 넣을 수 있을 정도로 크다. 파이어니어 우주선이 관측한 바에 의하면 대적반은 주변보다 온도가 몇 도 낮으며, 8km정도 위로 솟아올라 있다. 대적반은 6일에 한 바퀴 정도로 반시계 방향으로 회전하고 있다. 이러한 사실은 대적반이 상승하는 높은 압력의 영역임을 암시해 준다. 대적반은 대단히 안정한 상태를 유지하고 있으며, 그 나이는 알 수 없으나 1665년 카시니에 의해서 차츰 발견된 이래 3백여 년 동안 계속 현재의 모습을 유지하고 있다.

대기와 내부 구조

보이저 탐색선이 전송한 관측자료를 분석해 보면 목성의 대기는 수소가 79%, 헬륨이 20%, 그리고 나머지 1% 정도가 무거운 분자들로 구성되어 있다. 목성의 대기는 그 경계가 뚜렷하지 않지만 두께가 대략 1천km로 예측되고 있으며, 아래로 내려가면서 밀도, 온도 그리고 압력은 증가하는데 더 깊이 들어가면 액체로 된 내부와 연결된다. 목성의 중심부에는 철과 규산염으로 이루어진 중심핵이 있을 것이라고 생각되고 있으며 그 질량은 지구질량의 10~20배, 온도는 약 4만 도로 추정된다. 중심핵 둘레에는 금속성 유체의 수소층이 있으며, 그의 온도는 약 1만도, 압력은 300만 기압에 이른다고 한다. 이러한 압력을 받고 있는 수소는 모두 해리되어 원자의 상태로 존재하며, 이 때 수소는 액체이지만 거의 금속과 같은 성질을 갖게 된다. 금속성 수소층은 중심으로부터 4만 6천km되는 영역까지 존재하는 것으로 추산하고 있다.
목성도 지구에서처럼 자기장과 자기권을 지니고 있으며 자기장의 세기는 지구보다 10배정도 강한 것으로 알려져 있다. 목성이 이처럼 강한 자기장을 갖는 것은 빠른 자전과 금속성 액체수소의 높은 전기 전도도 때문이다. 특히, 목성의 자전주기가 자기장의 주기와 일치한다는 사실은 목성 중심부도 자전한다는 사실을 반영해 주며, 그것은 목성 내부에 자기장이 동결되어 있음을 제시해 준다. 이처럼 가한 자기장 때문에 목성은 가한 전파를 방출하며, 양 극지방의 극광을 발생하는 등 다양한 자기활동을 하고 있다.

토성

행성으로서의 토성

토성은 태양으로부터 9.6 AU의 평균거리를 유지하면서 29.41년을 주기로 태양둘레를 공전하고 있다. 그의 궤도면은 황도에 대하여 2.49。기울어져 있다. 토성의 질량은 지구의 약 95배인 5.7*1026Kg이며 적도 반지름은 지구의 9.41배인 6만km이다. 토성의 질량과 반지름으로부터 평균밀도를 구해 보면 0.7g/cm3의 값을 얻게 되는데 이 값은 물의 밀도보다 작다.
토성도 목성처럼 빠른 자전운동을 하며, 위도가 높아짐에 따라 자전속도가 조금씩 감소하는 차등자전운동을 한다. 적도에서 자전주기는 10시간 14분이며 극지방에서는 10시간 39분이나 된다. 이렇게 빠른 자전 때문에 토성도 목성처럼 적도 반지름이 극 반지름보다 큰 타원체의 모습을 하고 있다. 적도 반지름과 극 반지름과의 차이는 약 6천km나 된다. 그러므로 토성은 태양계의 모든 행성 중에서 가장 납작한 타원체의 형태를 갖는다. 토성의 자전축은 공전축에 대하여 26.7。기울어져 있어서 15년마다 북극 또는 남극 영역이 지구를 향하게 된다. 토성의 내부구조는 목성과 흡사하다. 내부를 이루고 있는 구성 성분으로는 수소가 약 74%,헬륨이 약 24%, 그리고 나머지 2%는 무거운 원소들이다.
토성의 중심부에는 반지름이 약 1만km되는 얼음과 규산염 암석으로 이루어진 중심핵이 있고 그 바로 위에는 물의 얼음층, 그 다음으로 금속성 수소층, 그리고 그 위에 액체 수소층이 놓여 있다. 지구에서 볼 때 토성은 노르스름하게 보이며, 그 표면에는 목성에서처럼 뚜렷하지는 않지만 적도와 나란한 줄무늬가 보인다. 그것은 토성의 대기층이 목성의 대기층보다 두껍기 때문에 대기 하층부의 구조가 그름에 가려서 잘 보이지 않기 때문이다 토성의 대기를 이루는 화학성분도 목성과 거의 비슷하다. 그의 온도는 목성보다 훨씬 낮으며, 구름 상단은 95K나 되어서 대부분의 암모니아는 눈의 형태로 응결되어 하강한다. 따라서 토성 대기 중의 암모니아는 목성 대기에서보다 적지만 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 포스핀(PH3), 수소분자 등은 토성의 대기에서 쉽게 검출된다.토성에도 적도면을 따라서 부는 강풍, 즉 제트류가 존재한다. 그런데 풍속은 목성에서보다 훨씬 크다. 즉, 목성에서는 100m/sec인 데 비하여 토성에서는 그보다 4~5배나 더 크다. 토성의 흰띠가 극에 가까운 영역까지 나타나는 것은 바로 그의 빠른 속도 때문인 것으로 생각되고 있다.
토성은 자신이 태양으로부터 받는 복사에너지 양보다 약 1.8배나 되는 에너지를 방출하고 있다. 이러한 사실은 토성이 형성될 때 축적한 중력에너지가 토성의 내부로부터 흘러나오고 있음을 제시해준다. 이와 같이, 토성도 서서히 냉각되고 있다.

수천 개의 고리

토성에서 가장 우리의 관심을 끄는 것은 적도면에 걸쳐 있는 아름다운 얇은 고리이다. 이 고리는 토성의 궤도면에 대하여 27。기울어져 있다. 그러므로 토성이 태양의 둘레를 공전하는 동안 지구에게 들어내 보이는 고리의 모습은 계속 변한다. 토성이 태양을 한 바퀴 도는 동안 지구에서는 2번 토성의 측면을 보게 되는데, 이 때 고리는 전혀 보이지 않는다. 여기서 우리는 토성의 고리가 대단히 얇다는 것을 알 수 있다. 고리의 두께는 100m를 넘지 않는것으
로 추산되고 있다. 그러나 고리의 폭은 대단히 넓어서 약 7만km이상이나 된다. 지구에서 보이는 3개의 고리만 해도 그들은 토성의 중심으로부터 7만 1천km되는 거리에 놓여 있다.토성의 고리는 작은 얼음 덩어리나 암석조각으로 되어 있다. 고리를 이루고 있는 물질은 수km에서 수m에 이르는 다양한 크기를 갖는다. 이들은 각각 자신의 고유 궤도를 따라 돌고 있으며, 공전주기는 토성으로부터의 거리에 따라 각기 다른 값을 갖는데 그 주기는 거리가 멀어질수록 증가한다. 즉, 토성의 고리는 한 장의 얇은 레코드판처럼 도는 것이 아니라, 안쪽의 고리는 빠르게, 바깥쪽의 고리는 천천히 도는 유체의 회전과 같다.
지구에서 볼 때 고리는 3개로 뚜렷이 구분된다. 우리는 이들을 바깥쪽으로부터 A, B, C고리라고 부르고 있다. C고리 안쪽에도 아주 희미한 고리가 또 하나 존재하는데 이를 D고리라고 부른다. 가장 바깥에 있는 A고리의 폭은 1만 5천km이며, 가장 밝고 또 고르게 보이는 B고리의 폭은 2만 6천km, 그리고 C고리의 폭은 1만 9천km나 된다. 보이저 탐색선이 보내온 토성 고리의 근접사진을 보면 지구에서 보는 것과 같이 단순한 가락지 모양을 하고 있는 것이 아니라, 수없이 많고 가는 고리들이 마치 레코드판의 가는 줄처럼 토성을 축으로 동심원을 그리면서 그의 둘레를 돌고 있다. 실제로 이들은 폭이 2km정도로 가는 고리들이며, 수천 개의 고리들이 토성의 둘레를 공전하고 있는 것이다. A고리와
B고리 사이에 검게 보이는 카시니 간극은 약 3,000km되는데, 이 틈 사이에도 과거의 생각과는 달리 극히 좁은 고리가 20여 개 이상 존재하고 있음이 보이저 탐색선에 의해서 확인되었다. 1979년 9월 파이어니어 11호는 목성을 근접 통과하면서 A고리의 바깥쪽으로 약 3,000km떨어진 곳에서 폭이 아주 좁은 고리를 발견하였다. 우리는 이 고리를 F고리라고 부른다. 이 고리는 토성의 고리들 중에서 가장 가늘며, 그 폭은 100km밖에 되지 않는다. 이 고리 양쪽
에는 작은 위성이 하나씩 존재하는데 이들은 고리를 이루는 물질의 확산을 막아 주고 있다.보이저가 찍은 사진에 의하며 F고리는 또 몇 개의 가는 고리로 구분되며 그들은 꼬인 노끈에 매듭이 진 것과 같은 모습을 하고 있다. 보이저 탐색선은 F고리 이외에도 그의 밖으로아주 느리게 움직이는 E고리와 G고리를 발견하였는데 이들은 진정한 의미에서의 고리라기보다는 물질이 희박하게 분포되어 희미한 빛을 발하는 영역, 즉 밀도가 대단히 희박한 작은 입자들의 집합체로 생각되고 있다. 고리의 기원에 관해서는 잘 알려져 있지 않다. 대부분의 학자들은 토성이 형성될 때 태양 둘레를 공전하던 물체들이 토성의 조석력 때문에 뭉치지 못해서 생긴 것으로 해석하고 있다. 만일 이 물체들이 하나로 뭉쳐서 위성을 만들었다면 반경이 300km되는 얼음과 암석으로 이루어진 위성이 되었을 것이다. 그러나 일부 학자들은 어떤 천체가 토성의 로쉬(Roche)
의 한계 이내로 들어와서 토성의 강한 조석력을 받아 부서져서 고리가 생겼다고 주장하기도 한다. 고리의 총질량은 토성 질량의 10-7배 정도밖에 되지 않는다.

천왕성

누워 있는 행성

천왕성은 태양으로부터 19.2 AU(1.496*10^13cm)의 거리를 두고 84년 주기로 태양의 둘레를 공전하고 있다. 이 행성의 공전궤도는 황도에 대하여 0.77。기울어져 있다.천왕성은 망원경으로 보아도 작고 흐리게 보이므로 그 크기를 직접 정밀하게 측정하기가 어렵다. 그러나 천왕성이 어떤 별을 가로지르며 통과할 때 별의 엄폐현상을 이용하면 비교적 정확히 그 크기를 측정할 수 있다. 즉 천왕성이 움직이는 성도와 별이 지나는 시간을 알면 천왕성의 지름을 정확히 구할 수 있다. 1977년에 있었던 별의 엄폐현상으로 그 크기가 처음 알려졌으며, 현재는 반지름이 지구의 4배가 조금 넘는 26,320km로 밝혀졌다.
천왕성은 5개의 큰 위성을 비롯하여 모두 15개의 위성을 거느리고 있다. 따라서 이들의 공전궤도 반지름과 공전주기만 측정한다면 천왕성의 질량을 쉽게 구할 수 있다. 케플러 법칙으로부터 구한 천왕성의 질량은 지구 질량의 14.5배에 해당하는 8.67*10^25Kg이다. 크기와 질량으로부터 천왕성의 평균밀도를 구해 보면 1.2g/cm^3의 값을 얻는데, 이 값은 목성의 밀도와 매우 비슷하다.
천왕성에서 무엇보다도 흥미로운 것은 자전축이 공전궤도면에 거의 평행하게 누워 있다는 것이다. 즉 천왕성은 공전궤도면에 누워서 자전하고 있다. 따라서 남극이 태양을 향한 시점에서 42년 후에는 남극은 태양의 반대쪽에 있게 되며, 이 때에는 북극이 태양을 향하게 된다. 그러므로 천왕성에서는 양극지방이 가장 뚜렷한 여름과 겨울을 가지며, 공전주기의 절반인 42년마다 여름과 겨울이 바뀌게 된다.

대기와 내부 구조

천왕성은 망원경을 통해서 볼 때 청록색의 원반으로 보인다. 천왕성에서는 목성이나 토성에서와 같이 밝은 띠나 검은 줄무늬는 전혀 보이지 않는다. 천왕성이 청록색으로 보이는 것은대기 중에 메탄가스가 많이 포함되어 있기 때문이다. 메탄가스는 천왕성 대기 깊숙이 침투한 태양빛 가운데 붉은 빛을 흡수하고 청색과 녹색을 산란시켜 내보낸다.천왕성 대기는 주로 수소분자로 이루어졌으며, 그 다음으로 헬륨이 전대기 원소의 10~15%차지하고 있다. 천왕성에 함유된 메탄 가스의 양은 목성이나 토성보다 10배나 더 많다. 천왕성 대기에서도 토성에서처럼 암모니아(NH_4)가 검출되지 않는데, 그것은 대기의 온도가 58K정도로 낮아서 암모니아가 응결되어 눈의 형태로 대기 밑에 모두 가라앉아 있기 때문이다.
천왕성의 내부구조는 잘 알려져 있지 않지만, 그 내부 압력이 금속성 수소층을 형성할 만큼 높지 못하므로 금속성 수소층은 없을 것으로 생각된다. 천왕성은 수소와 헬륨(15%), 물과 메탄과 암모니아의 얼음(60%), 그리고 나머지 규산염 암석과 철(25%)로 구성되었다고 알려져 있다.
천왕성에도 자기장이 존재하고 있는 것으로 밝혀졌다. 보이저 2호에 의하면 그 세기는 지구 자기장 세기의 3분의 1정도 된다. 여기에서 한 가지 주목되는 것은 자기축이 자전축에 대하여 58.6。기울어져 있으며, 자기의 북극이 지리학적인 남극에 가까이 놓여 있다는 것이다 천왕성에서도 강한 자기장 때문에 자기권이 형성되어 있으며, 이것의 존재는 천왕성에서 오로라가 관측됨으로써 확인되었다.

어두운 고리

천왕성에 고리가 있다는 사실은 1977년 천왕성이 어떤 흐린 별의 전면을 지나는 엄폐현상이 일어났을 때 발견되었다. 천왕성이 별을 가리기 전, 별이 순간적으로 몇 번 어두워지는 현상을 목격하고 천왕성에 고리가 있음을 알게 되었다. 천왕성의 고리는 모두 10개로 되었는데 그 중 8개는 지상관측으로부터, 그리고 나머지 2개는 보이저 2호에 의해서 발견되었다. 이 고리들은 매우 좁으며, 그 폭은 수십m에서 수 km에 불과하다. 그러나 엡실론 고리는 폭이 100km로 그중 가장 굵고 또한 가장 밝다.
천왕성의 고리를 이루는 물질은 목성이나 토성의 고리를 이루는 물질과는 달리 크기가 1m이상 되는 검은 암석조각들로서, 태양계 내에서 알려진 어떤 물질보다도 검다고 알려져 있다. 토성 고리의 반사율은 80%인 데 비하여 천왕성의 고리의 반사 도는 북과 5%에 지나지 않는다. 천왕성의 고리를 이루는 물질이 검게 보이는 까닭에 대해서는 아직까지 규명되어 있지 않다.

해왕성

청록색의 진주 행성

해왕성은 크기와 질량에 있어서 천왕성과 비슷할 뿐만 아니라, 천왕성 다음에 위치하고 있어서 쌍둥이 행성이라고 부른다. 한편, 해왕성은 천왕성보다 푸르고 더 영롱하게 보이기 때문에 "청록색의 진주"라고 불리기도 한다. 해왕성은 태양으로부터 30 AU(1.496*10^13cm)의 거리를 두고 164.8년을 주기로 태양둘레를 공전하고 있다. 공전궤도면은 황도에 대하여 1.8。기울어져 있다. 해왕성의 질량은 지구 질량의 17.2배인 1*10^10Kg이며, 적도 반지름은 지구 반지름의 3.87배 해당하는 24,800km이다. 질량과 반지름으로부터 평균밀도를 구해보면 1.7g/cm^3의 값을 얻는데, 이 값은 목성형 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성)중 가장 크다. 해왕성의 자전주기는 오랫동안 확실히 밝혀지지 않아서 19~18시간 사이의 값을 갖는다고 생각되었다. 정확한 자전주기는 보이저 2호가 1989년 8월25일 12년간의 긴 여정 끝에 해왕성을 근접 통과한 후에야 밝혀졌는데, 그 값은 정확히 16시간 6분 36초이다. 해왕성의 자전축은 공전축에 대하여 28。48' 기울어져 있다. 해왕성의 내부구조는 천왕성과 비슷하나, 다만 그 중심핵이 천왕성보다 조금 클 뿐이다. 해왕성도 목성이나 토성처럼 태양으로부터 받는 복사량보다 더 많은 에너지를 방출한다. 해왕성은 태양에서 받는 복사에너지의 2.5배 정도 방출한다.

보이저 2호가 본 해왕성

보이저 2호가 촬영한 해왕성의 근접사진을 보면, 남반구 남위 20。부근에 지름이 약 3만km나 되는 타원형의 대흑반(Great Dark Spot)을 볼 수 있다. 대흑반은 목성의 대적반과 마찬가지로 반시계 방향으로 회전하고 있다. 현재, 대흑반은 고기압의 태풍으로 이해되고 있다. 대흑반이 검게 보이는 이유는 아직 규명되어 있지 않으며, 대흑반의 유체는 18.3시간을 주기로 회전하고 있다. 대흑반의 남쪽과 동쪽에 나타나는 흰 구름은 결빙된 메탄 덩어리라
고 생각하고 있다. 해왕성 남반구의 고위도 영역에 거대한 검은 띠가 보이는데, 이 검은 띠는 해왕성의 대폭풍권으로 풀이되고 있다. 해왕성의 대기는 기체상태의 메탄, 수소, 헬륨과 물과 암모니아의 얼음이 뒤섞인 혼합체로 되어 있다. 해왕성에서도 아주 가는 47가닥의 고리가 발견되었는데, 그 중 외각에 있는 두 개의 고리는 매우 뚜렷하게 보인다. 고리를 이루는 물질은 얼어붙은
메탄 조각들로 되어 있다. 해왕성도 자기장을 가지고 있으며, 그 세기는 천왕의 자기장 세기와 비슷한 것으로 알려져 있다. 해왕성의 자기축은 자전축에 대하여 46.8。기울어져 있다. 해왕성에서도 오로라가 관측되고 있는 것으로 미루어 보아 자기권이 형성되어 있을 것으로 생각된다

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명왕성

태양에서 가장 먼 행성

명왕성은 태양계에서 9번째 행성으로 태양에서 40 AU(1.496*10^13cm)나 멀리 떨어져 있다. 또한 크기가 대단히 작기 때문에 그의 발견은 대단히 어려웠다. 명왕성은 광범위한 사진탐색 끝에 1930년 미국의 천문학자 톰보우(C.Tombough)에 의해서 발견되었다. 그는 1930년 2월 18일, 당시 로웰이 예언했던 방향에서 7。쯤 떨어진 곳에서 명왕성을 발견, 이를 3월13일에 발표하였다. 이 행성은 그 후 희랍신화에서 지하세계를 지배하는 신의 이름을 따서 플루토(Plute)라고 명명 되였다.
1846년 해왕성이 발견된 후 금세기 초에 이르기까지 해왕성의 관측은 지속되었다. 그런데,당시 관측된 해왕성의 궤도는 도저히 설명할 수 없을 정도로 예측된 궤도로부터 크게 벗어나 있었다. 그 결과 천문학자들은 미지의 9번째 행성 탐색에 나섰던 것이다. 그러나 잘 알고 있는 바와 같이 명왕성은 질량이 너무 작아서 천왕성이나 해왕성에게 섭동을 주기에는 너무나 미약하다. 따라서 명왕성의 발견은 순전히 우연이었다고 할 수밖에 없다. 당시 관측에서제시됐던 섭동은 실제로 존재한 것이 아니라 관측 여건이 좋지 않기 때문에 발생된 관측 오차였음이 후에 밝혀졌다.
명왕성은 평균 39.4 AU(1.496*10^13cm)의 거리를 두고 247.7년을 주기로 태양의 둘레를 공전하고 있다. 그의 공전 궤도는 다른 행성에 비하여 좀 특이하다. 즉, 행성들 중에도 궤도의 이심률과 궤도 경사각이 가장 크다. 이심률은 0.25 그리고 궤도 경사각은 17。나 된다. 큰 이심률 때문에 명왕성은 태양에 가장 가까울 때에는 29.7 AU(1.496*10^13cm), 그리고 가장 먼 때는 49.3 AU(1.496*10^13cm)에 위치하게 된다. 그 경로가 명왕성은 248년 중 약 20년 동
안은 해왕성의 궤도보다 태양에 더 가까운 거리에서 운행한다. 1979년 1월부터 명왕성은 해왕성에 궤도 안쪽으로 들어와서 운행하고 있으며, 1999년에 가서야 해왕성 바깥쪽으로 빠져나가게 된다. 명왕성은 망원경을 통해서 볼 때, 너무 멀리 떨어져 있어서 다른 행성처럼 이 행성의 원반을 볼 수 없다. 그 대신 별처럼 한 점으로 보인다. 따라서 그의 크기 측정에는 많은 어려움이 따른다. 명왕성의 크기는 그 밝기나 별의 엄폐현상, 적외선 관측 등 여러 가지 방법을 사용하여 구한다. 그러나 그 결과는 많은 차이를 보여 주고 있다. 1987년 적외선 천문위성 관측에 의해서 명왕성은 2,200~2,370km의 크기를 갖는 것으로 밝혀졌다. 명왕성의 둘레에는 카론(Charn)이 공전하고 있다. 카론은 1978년 6월, 미국 해군천문대의 그리스티(Christy)에 의해서 발견되었다.
카론의 발견으로 명왕성의 질량은 지구질량의 0.26%에 해당하는 1.5*10^22Kg임이 밝혀졌으며, 이는 달 질량의 1/4도 못 미치는 값이다. 명왕성의 질량과 크기로부터 평균밀도를 구하면 지구형 행성의 평균밀도보다 훨씬 작은 값을 얻는다.
적외선 관측에 의하면 명왕성은 엷은 메탄(CH_4)의 대기를, 그리고 표면에는 결빙된 메탄으로 덮혀 있다. 메탄의 결빙은 결국 명왕성의 표면 온도가 적어도 40K 이하임을 제시해 준다. 명왕성의 표면은 밝기가 일정치 않는 것으로 알려져 있다. 명왕성의 자전주기는 그의 발기 변화로부터 6.39일을 알게 되었다. 명왕성의 유일한 위성 카론은 평균 거리 17,500km를 두고 명왕성의 둘레를 공전하고 있다. 그의 공전주기는 자전주기와 같다. 명왕성은 대단히 멀리 떨어져 있어서 대단히 흐리며, 또한 그의 얼굴을 들어내 보이지 않기 때문에 이 행성의 표면에 관해서는 별로 아는 바가 없다. 카론의 지름은 약 1,300km인 것으로 밝혀졌다.