해왕성에서는 어떻게 시속 2,000km가 넘는 바람이 불까?
해왕성은 태양에서 지구보다 약 30배 멀다. 이곳에 닿는 햇빛은 지구의 약 900분의 1뿐이지만, 구름에서는 시속 2,000km가 넘는 바람이 관측된다. 햇빛이 이렇게 약한데도 거센 바람이 부는 데에는 해왕성 내부의 열이 중요한 역할을 한다. 해왕성은 태양에서 받는 에너지보다 두 배 넘게 많은 에너지를 우주로 내보낸다. 내부에서 올라오는 열과 약 16시간에 한 번 도는 빠른 자전이 깊은 대기를 움직이지만, 구름 아래 어느 깊이까지 바람이 이어지는지는 아직 모른다.
해왕성의 적도 지름은 약 49,500km로 지구의 약 네 배다. 태양을 한 바퀴 도는 데 약 165년이 걸려 한 계절도 40년 넘게 이어진다. 긴 계절과 빠른 자전, 내부 열이 함께 작용하므로 특정한 구름이나 폭풍 하나만 보고 행성 전체의 날씨를 설명할 수 없다.
- 약 49,500km 적도를 따라 잰 해왕성의 지름
- 약 30AU 태양에서 지구까지 거리의 약 30배
- 약 16시간 해왕성이 한 번 자전하는 데 걸리는 시간
- 시속 2,000km 이상 구름을 추적해 측정한 가장 빠른 바람
짙은 파랑은 실제 색을 그대로 옮긴 것이 아니다
해왕성 대기의 대부분은 수소와 헬륨이며, 소량의 메테인이 붉은빛을 흡수한다. 그래서 실제 해왕성은 옅은 청록빛으로 보인다. 1989년 Voyager 2가 보낸 영상 가운데 널리 알려진 짙은 파란 사진은 구름과 폭풍이 잘 드러나도록 색과 명암을 강화한 자료다. 보정 방식을 맞춰 다시 처리한 영상에서는 천왕성과 해왕성의 색 차이가 예전 사진만큼 크지 않다.
색은 대기의 성분을 알려 주지만 바람의 세기를 직접 보여 주지는 않는다. 풍속은 서로 다른 시각에 찍힌 구름의 위치가 얼마나 이동했는지 추적해 계산한다. 구름 꼭대기에서 잰 빠른 바람이 행성 내부까지 같은 속도로 이어진다는 뜻도 아니다.
내부에서 나오는 열이 대기를 움직인다
해왕성은 태양에서 받은 에너지보다 두 배 이상 많은 에너지를 방출한다. 남는 부분은 행성이 만들어질 때부터 내부에 저장된 열과 내부 물질이 천천히 식고 변하면서 나오는 에너지로 설명된다. 이 열은 아래쪽 대기를 데워 상승과 하강을 일으킬 수 있고, 빠른 자전은 대기의 흐름을 동서 방향 제트기류와 소용돌이로 나누는 데 관여한다.
다만 내부 열이 정확히 어떤 깊이에서 방출되고, 어떻게 시속 2,000km가 넘는 국지적인 바람으로 전달되는지는 확정되지 않았다. 지금까지의 풍속은 주로 보이는 구름을 따라 측정한 값이다. 해왕성에 대기 탐침이나 궤도선이 필요한 이유도 구름 아래의 온도·조성·바람을 직접 재지 못했기 때문이다.
해왕성의 대기를 움직이는 에너지는 햇빛만이 아니다. 행성 내부에서 나오는 열도 거센 바람과 소용돌이를 유지하는 데 관여한다.
대암흑점은 나타났다가 사라지는 거대한 폭풍이다
Voyager 2가 1989년에 본 대암흑점은 지구와 비슷한 크기의 거대한 소용돌이였다. 그러나 Hubble이 1994년에 해왕성을 다시 촬영했을 때 그 암흑점은 사라져 있었다. 이후 다른 위도에서 새로운 암흑점들이 나타났다가 몇 년 사이 약해지거나 없어졌다. 목성의 대적점처럼 하나의 폭풍이 같은 모습으로 계속 남아 있는 것이 아니다.
암흑점 주변의 밝은 구름은 소용돌이를 따라 올라간 공기가 식으면서 메테인 얼음이 응결해 생긴 것으로 해석된다. 여기서 ‘암흑’은 검은 물질이나 표면의 구멍을 뜻하지 않는다. 주변보다 빛을 덜 반사하는 구름층이나, 더 깊은 대기를 볼 수 있는 영역일 가능성이 있다.
멀리 있는 태양도 구름의 양을 바꿀 수 있다
연구진이 1994년부터 2022년까지 Hubble·Keck·Lick 자료를 비교하자, 해왕성 중위도의 구름량은 태양 활동이 강해지고 약해지는 약 11년 주기와 함께 변했다. 태양 활동이 가장 강해진 뒤 약 2년이 지나 구름이 많아지는 경향도 나타났다. 자외선이 상층 대기의 메테인을 분해하고, 그 반응으로 생긴 입자가 자라 구름 형성에 영향을 준다는 설명과 맞는다.
이 결과는 상관관계이며 원인이 확정됐다는 뜻은 아니다. 내부에서 솟는 폭풍 구름은 태양 활동과 다른 방식으로 만들어질 수 있다. 구름은 2019년부터 빠르게 줄기 시작해 2020년에 1994년 이후 관측 중 가장 적었다. 한 계절이 40년 넘게 이어지는 해왕성에서 불과 1년 사이에 나타난 급격한 변화다. 태양 활동과 구름량의 관계를 확인하려면 앞으로 여러 11년 주기에서 같은 양상이 반복되는지 관측해야 한다.
Webb는 오로라의 위치와 상층 대기 온도를 함께 측정했다
Webb 우주망원경은 2023년 해왕성의 위쪽 대기에서 적외선을 관측했다. 연구진은 이 자료에서 오로라가 생길 때 빛을 내는 H3+라는 전하 입자의 흔적을 찾았고, 2025년에 해왕성의 오로라를 처음 확인했다고 발표했다. 오로라는 북극이나 남극이 아니라 그보다 적도에 가까운 중위도에서 밝게 나타났다. 해왕성의 자기장이 행성의 회전축에서 약 47° 기울어져 있기 때문이다. 공개 이미지의 청록색은 관측 결과를 알아보기 쉽게 표시한 색이며, 실제로 눈에 보이는 오로라 색은 아니다.
같은 스펙트럼으로 잰 2023년 상층 대기 온도는 Voyager 2가 1989년에 측정한 값의 절반을 조금 넘는 수준이었다. 이는 해왕성 전체의 온도가 절반으로 떨어졌다는 뜻이 아니다. 오로라가 생기는 높은 대기층의 온도가 수십 년 사이 크게 달라졌다는 결과다. 상층 대기가 예상보다 차가웠던 사실은 이전 관측에서 H3+ 방출을 찾기 어려웠던 이유도 설명한다.
- 구름의 이동 서로 다른 시각의 영상으로 구름 꼭대기 풍속을 계산한다.
- 열복사 해왕성이 받는 햇빛과 내보내는 에너지를 비교해 내부 열을 추정한다.
- 장기 영상 암흑점의 생성·소멸과 구름량 변화를 수년에서 수십 년 동안 추적한다.
- 적외선 스펙트럼 H3+ 방출과 상층 대기 온도로 오로라 환경을 조사한다.
지금까지 가까이 간 탐사선은 Voyager 2뿐이다
Voyager 2는 1989년 8월 25일 해왕성 구름 꼭대기에서 약 4,800km 떨어진 곳을 통과했다. 이 한 번의 근접 비행으로 대암흑점과 고리, 새 위성 여섯 개, 크게 기울고 중심에서 벗어난 자기장이 확인됐다. 그러나 잠깐 지나가는 탐사선은 폭풍이 몇 년 뒤 사라지는 모습이나 상층 대기가 수십 년 동안 변하는 과정을 볼 수 없었다.
Hubble과 Webb는 그 뒤의 변화를 이어서 관측했지만, 해왕성 내부 구조와 구름 아래 바람은 여전히 간접적으로만 추정한다. 장기간 머무는 궤도선과 대기 속으로 내려가는 탐침이 함께 관측한다면 내부 열이 어느 깊이에서 나오고, 그 에너지가 어떻게 빠른 바람으로 이어지는지 훨씬 정확하게 가릴 수 있다.
해왕성의 변화는 서로 다른 높이에서 일어난다
해왕성을 이해하려면 짙은 파란 사진 한 장보다 각 관측이 무엇을 측정했는지 구분해야 한다. 옅은 청록빛은 대기 성분을, 이동하는 구름은 풍속을, 나타났다 사라지는 암흑점은 큰 소용돌이의 수명을 보여 준다. 태양 자외선은 높은 구름에 영향을 줄 수 있고, 내부 열은 깊은 대기를 움직이며, 기울어진 자기장은 중위도 오로라의 위치를 정한다. 이 현상들은 모두 같은 행성에서 일어나지만 하나의 원인으로 설명되지는 않는다.
출처
- NASA Science — Neptune Facts
- NASA Science — Voyager 2
- NASA — 30 Years Ago: Voyager 2 Explores Neptune
- NASA Science — Hubble Tracks the Lifecycle of Giant Storms on Neptune
- NASA Science — Neptune’s Disappearing Clouds Linked to the Solar Cycle
- NASA Science — Webb Captures Neptune’s Auroras for First Time
- NASA Science — Why Uranus and Neptune Are Different Colors
- NASA Science — NASA, Oxford Discover Warmer Uranus Than Once Thought