서론

화성. 이 이름을 모르는 사람은 거의 없을 것이다. 붉은 빛깔 때문에 고대부터 불과 전쟁의 신으로 여겨져 온 이 행성은, 현대에 와서는 지구와 가깝다는 이점 덕에 태양계에서 가장 많이 탐사된 행성이자 수많은 연구의 중심에 서 있다. 크기로 보면 지구의 절반 정도에 불과한 이 작은 행성은이 행성과학에서 지니는 의미는 이보다 훨씬 크다.

여러 화성 탐사 결과들은 화성이 수십억 년 전에는 지금보다 훨씬 따뜻하고 습했으며, 더 두꺼운 대기를 품고 있었을 가능성을 강하게 시사한다. 흥미로운 점은 화성이 지구와 비슷한 자전 조건을 가지면서도, 훨씬 낮은 대기압과 사라진 전역 자기장, 그리고 오래전에 식어버린 내부를 함께 보여준다는 사실이다. 그러니 화성을 이해한다는 것은 단순히 이 행성의 특징을 나열하는 일이 아니라, 하나의 행성이 어떻게 형성되고 진화하여 지금의 모습에 이르렀는지를 추적하는 작업인 것이다.

이 글에서는 두 Part 에 걸쳐 화성에 대해 알아볼 것이다. 우선 Part 1에서는 화성의 운동, 지질시대와 진화, 위성, 기후, 표면과 내부 구조를 살펴볼 것이다.

화성의 운동

화성의 반지름은 약 3,390 km, 평균 태양거리는 약 2억 2,800만 km(1.5 AU)다. 자전 주기는 24.6시간으로 지구의 하루와 상당히 비슷하다. 이 하루는 탐사 임무 등에서 워낙 중요하게 다뤄지다 보니 따로 '솔(sol)'이라고 부르기도 한다. 공전 주기는 669.6솔, 즉 지구 기준으로는 687일에 이른다.

자전축 경사각은 약 $25^\circ$로 지구의 $23.4^circ$와 가깝다 보니, 화성에도 뚜렷한 사계절이 존재한다. 다만 화성의 궤도 이심률은 0.0934로, 0.0167에 불과한 지구 궤도보다 훨씬 납작한 타원의 형태를 띄기에 계절의 길이가 균등하지 않고, 북반구와 남반구에서 나타나는 계절의 강도도 서로 다르게 나타난다.

이런 운동 특성을 바탕으로 우리는 화성의 기후를 이해할 수 있다. 지구와 닮은 하루, 25°의 자전축 경사는 지구와 나름대로 유사한 기후를 시사한다. (물론, 다른 행성들에 비해서 지구에 가까울 것이라는 뜻이지 실제로 지구와 같은 기후를 생각하면 안 된다.) 또한, 이러한 리듬들이 맞물리며 극관의 성장과 소멸, 먼지의 이동, 계절풍, 대기압의 변화가 반복된다. 특히 지구보다 더 타원적인 궤도 때문에 남북 반구의 계절 길이 차이가 크고, 이는 계절별 온도와 대기 순환 양상을 지구와는 상당히 다르게 만든다. 또한 지구와 달리 거대한 위성을 갖지 못한 탓에, 화성의 자전축은 장기적으로 $10^\circ$에서 $60^\circ$까지 요동치는 '카오스적 기울기(chaotic obliquity)'를 겪는다. 이 과정에서 극단적인 빙하기와 기후 변화가 반복적으로 나타난다.

지질 시대와 초기 진화

화성의 역사를 깊이 이해하려면 지질 시대 구분을 알아야 한다. 가장 널리 쓰이는 분류는 표면 충돌구의 밀도를 기준으로 한 노아키안(Noachian), 헤스페리안(Hesperian), 아마조니안(Amazonian) 기다. 여기에 더해, 지표면 광물의 특성을 바탕으로 필로시안(Phyllosian), 테이키안(Theiikian), 시데리칸(Siderikan) 기로 세분화하는 체계도 함께 쓰인다. 두 분류는 일대일로 정확히 대응하지는 않지만, 화성의 지질학적·기후적 변화를 설명하는 데 서로를 보완하는 역할을 한다.

가장 오래된 노아키안 기는 지표에 거대한 충돌구가 많이 남아 있는 시기다. 이 무렵 화성은 대기가 두껍고 비교적 온난했으며, 중성 pH의 물이 표면에 풍부했을 것으로 추정된다. 이런 온화한 수성 환경 속에서 점토 광물(phyllosilicates)이 광범위하게 형성되었는데, 광물학적으로는 이 시기가 점토 광물이 지배적인 필로시안 기에 해당한다.

뒤이은 헤스페리안 기에는 광범위한 화산 활동과 용암 분출로 표면이 대대적으로 갱신됐다. 막대한 화산 가스가 대기와 물에 섞여 들면서 지표 환경은 급격히 산성화됐고, 그 결과 황산염(sulfates) 광물이 풍부하게 만들어졌다. 이처럼 산성 환경과 황산염이 두드러지는 시기를 광물학적으로는 테이키안 기라 부르며, 대체로 노아키안 후기에서 헤스페리안에 걸쳐 나타났다.

마지막 아마조니안 기는 현재에 가까운, 비교적 젊고 건조한 시기다. 대기가 얇아지고 물이 사라지면서 화학적 풍화보다 바람에 의한 물리적 풍화가 주된 작용으로 자리 잡았다. 옅어진 대기를 뚫고 들어온 우주 방사선 등이 표면의 철 성분을 산화시켰고, 그렇게 생긴 붉은 산화철(Fe₂O₃)이 행성 전체를 뒤덮었다. 이 단계를 광물학적으로 시데리칸 기라 부르며, 헤스페리안 후기부터 오늘날까지 이어지는 환경을 대변한다.

초기 화성은 지금과는 전혀 다른 모습을 띄고 있었을 가능성이 크다. 화성 탐사 자료와 최근 연구들은 화성이 한때 더 두껍고 따뜻한 대기, 안정적으로 존재하는 표면 물을 가졌던 시기가 있었음을 시사한다. 특히 노아키안에서 헤스페리안으로 넘어가는 시점을 전후로 전 지구적 건조화가 일어났을 가능성이 자주 논의되는 주제다. 헤스페리안 시기에 산성 풍화와 황산염 광물이 급증했다는 것은, 화성이 단순히 물이 말라간 것이 아니라 화산 활동과 맞물려 표면의 물과 대기 구성이 완전히 바뀌는 복합적인 진화를 겪었음을 시사한다.

화성의 위성

화성에는 포보스(Phobos)와 데이모스(Deimos)라는 두 개의 작은 위성이 있다. 둘 다 자체 중력만으로 구형을 이룰 만큼 질량이 크지 않아, 우리 달처럼 둥글지 않고 감자를 닮은 울퉁불퉁한 모양을 하고 있다. 포보스는 약 23 km, 데이모스는 약 12 km 크기에 불과한 작은 천체다.

포보스는 화성을 하루에 세 번이나 공전할 만큼 빠르게 도는 반면, 데이모스는 약 30시간에 한 바퀴를 돈다. 두 위성 모두 화성의 적도면에 거의 가까운 원형 궤도를 그린다는 점이 흥미로운데, 이 사실은 화성의 위성의 기원을 연구하는데 핵심적인 자료가 되어 왔다.

기원

포보스와 데이모스의 기원에 관해서는 역사적으로 여러 가설들이 제기되었다. 그 중 가장 오래된 설명은 두 천체가 화성 중력에 붙잡힌 소행성이라는 포획 가설이다. 위성 표면의 반사 스펙트럼이 어둡고 함수 광물(hydrated minerals) 흡수 특성을 보인다는 점은 이 두 천체가 탄소질 소행성에서 비롯되었다는 해석을 오랫동안 뒷받침해왔다.

그러나 포획 가설에는 치명적인 문제점이 있다. 외부에서 우연히 붙잡힌 천체라면 궤도가 타원형이고 적도면에서 벗어나 있어야 자연스러운데, 실제 포보스와 데이모스는 거의 원형에 가깝고 적도면에 나란한 궤도를 돌고 있다. 이를 설명하기 위해 최근 들어 점점 무게가 실리는 가설이 바로 거대 충돌설(giant impact hypothesis)이다. 이 시나리오는 과거 화성이 다른 천체와 충돌하면서 생긴 잔해 원반(debris disk)이 적도면을 따라 뭉쳐 두 위성을 만들었다고 본다. 2025년 Mars Express의 포보스 탐사 결과에 자극받아 거대 충돌 기원설이 새롭게 주목받고 있으며, 이는 잔해 원반이 화성의 적도면을 따라 형성되기 때문에 두 위성의 근적도·근원형 궤도를 자연스럽게 설명할 수 있다는 장점 때문이다.

다만 거대 충돌설도 약점이 아예 없는 것은 아니다. 거대 충돌로 생성된 위성 형성 물질은 충돌 과정에서 높은 온도를 거쳤을 것으로 예상되는데, 이는 반사 분광 관측이 시사하는 두 위성의 휘발성 물질이 풍부한 화학적 조성과는 잘 맞지 않는다는 지적이 있다. 또한 데이모스의 현재 이심률이 극히 작다는 관측 사실은 거대 충돌로 형성된 위성들이 초기에 가졌을 것으로 예상되는 들뜬 궤도와 모순된다는 문제도 제기된다. 이 때문에 최근에는 두 가설의 중간 지점에 해당하는 절충안들도 활발히 논의되고 있다. 예를 들어 화성에 너무 가깝게 접근한 소행성이 조석력에 의해 부분적으로 파괴되면서 잔해 원반을 만들었다는 조석 파괴(tidal disruption) 가설이나, 단일 천체가 분열해 두 위성이 됐다는 가설 등이 그것이다. 그러나, 어느 가설이든 완벽하게 모든 관측 사실을 설명하지는 못하는 상황이기에 화성의 위성의 기원에 관한 질문은 여전히 열려있고 많은 연구가 진행중이다.

위성들의 운명

포보스는 화성에 점점 더 가까이 다가가고 있다. 100년에 약 1.8 m씩 거리가 줄어드는 셈인데, 이 추세가 계속되면 아주 먼 미래에 포보스는 로슈 한계(Roche limit)에 도달해 화성의 조석력에 의해 산산이 부서지고, 그 잔해가 화성 주위에 고리를 형성할 가능성이 제기된다. 말하자면 포보스는 자신의 소멸을 향해 서서히 나아가고 있는 천체인 셈이다.

반대로 데이모스는 화성에서 더 멀리 위치하며, 크기도 더 작고, 화성으로부터 점점 더 멀어지는 중이다. 이 때문에 데이모스는 포보스에 비해 상대적으로 덜 역동적인 천체로 비춰지지만, 실제로는 화성의 중력장과 초기 위성 형성 과정을 푸는 데 매우 중요한 단서를 쥐고 있다. 특히 데이모스의 궤도가 화성 적도면에서 살짝 기울어져 있다는 사실은, 한때 화성 주위에 존재했을지 모를 또 다른 내측 위성과의 중력 상호작용의 흔적일 수 있다는 흥미로운 가설로 이어진다.

MMX

이런 오랜 논쟁에 마침표를 찍을 단서를 직접 가져오려는 시도가 바로 JAXA의 MMX(Martian Moons eXploration) 임무다. MMX는 포보스에 착륙해 샘플을 채취한 뒤 지구로 가져오는 것을 핵심 목표로 삼고 있으며, 동시에 포보스와 데이모스를 정밀 관측해 화성계 형성과 진화의 비밀을 풀고자 하는 세계 최초의 시도다. MMX가 수집할 데이터는 포보스의 내부 구조를 더 정밀하게 제약할 수 있게 해줄 것으로 기대되며, 이를 통해 화성이 작은 위성을 오랜 기간 안정적으로 유지할 수 있는 행성인지, 혹은 소행성을 포획하는 방식으로 현재의 위성계를 만든 것인지를 밝히는 데 중요한 실마리를 제공할 전망이다. 직접 채취한 샘플의 조성을 분석하면, 포획된 소행성의 물질인지 화성 자체의 물질이 섞인 충돌 잔해인지를 가려낼 수 있을 것으로 기대된다.

대기와 기후

화성의 대기는 매우 희박하다. 평균 대기압은 지구의 100분의 1에도 못 미치는 약 6.1 hPa에 불과하고, 주성분은 이산화탄소(약 95%)다. 화성의 대기는 너무 얇아 태양열을 오래 붙잡아 둘 수 없다. 지구처럼 두꺼운 대기층이 열을 저장하고 순환시키는 역할을 하지 못하다 보니, 화성은 매우 차갑고 건조한 행성이 된 것이다.

표면 온도의 변동 폭도 극단적이다. 화성의 표면 온도는 높을 때 약 20°C까지 오르지만, 낮을 때는 약 -153°C까지 떨어질 수 있다. 이 같은 온도 변화로 인해 매년 화성 대기 전체 질량의 최대 30%가량이 극지방에서 드라이아이스로 얼었다가 다시 승화하는 흥미로운 현상이 반복된다.

대기가 얇으니 기상 현상의 성격도 지구와는 다르다. 화성의 하늘은 지구처럼 푸르지 않고, 떠다니는 먼지로 인해 흐릿하고 붉은 색조를 띤다. 바람은 표면의 먼지를 쉽게 들어 올릴 수 있고, 때로는 행성 전체를 뒤덮는 거대한 먼지폭풍으로 자라기도 한다. 이런 폭풍은 탐사 장비와 태양광 발전에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 화성의 기상을 연구할 때 반드시 고려해야 할 변수다.

표면과 물

화성이 붉게 보이는 이유는 표면의 철 성분이 산화돼 산화철($\text{Fe}_2\text{O}_3$)로 존재하기 때문이다. 암석과 레골리스, 먼지 속의 철이 녹슬면서 붉은빛을 띠고, 그 먼지가 대기로 떠오르며 행성 전체가 붉게 물든 것처럼 보이는 것이다. 다만 실제 화성의 표면은 갈색, 금색, 황갈색 등 다양한 색조를 보이며, 단일한 색으로만 설명할 수는 없다. 충돌구, 화산, 단층, 바람 침식 지형, 퇴적 구조 등을 가진 복합적인 지형이 화성 표면의 모습이다.

화성 표면에서 가장 흥미로운 부분 가운데 하나는 과거 물의 흔적이다. 여러 탐사 결과는 고대의 하천망, 삼각주, 호수 바닥, 그리고 액체 물 속에서만 형성될 수 있는 광물과 암석 등 과거 물의 존재를 강하게 시사하는 증거를 발견해왔다. 일부 지형은 약 35억 년 전 대홍수의 흔적으로 해석되기도 한다. 최근 연구들은 분화구 퇴적층과 점토·황산염 전이대가 과거 수권의 변화와 밀접하게 연결돼 있으며, 안정적으로 존재하던 물 환경이 시간이 지나며 점차 산성이고 건조한 조건으로 바뀌었을 가능성을 제기한다. 또한 지표에서 발견되는 과염소산염(perchlorates) 성분은 물의 어는점을 크게 낮춰, 오늘날에도 특정 조건에서 염수(brine)가 일시적으로 흐를 수 있게 만드는 원인으로 지목된다.

화성의 지형은 태양계에서도 손꼽히는 규모를 자랑한다. 베이너리스 협곡(Valles Marineris)은 길이 약 3,870 km, 최대 너비 약 600 km, 깊이 약 9.3 km에 달하는 태양계 최대의 협곡계다. 올림푸스 몬스(Olympus Mons)는 태양계에서 가장 높은 산으로, 꼭대기까지 높이가 약 21 km(기저부 단차까지 고려하면 25~27 km)에 이른다. 지구에서 가장 높은 에베레스트가 8.85 km 수준이라는 점을 떠올리면 그 규모를 체감할 수 있을 것이다. 화성에는 지구와 달리 지각판이 이동하는 판 구조론이 작동하지 않기 때문에, 맨틀 플룸 위 고정된 위치에서 용암이 수억 년에 걸쳐 거대하게 쌓일 수 있었고, 이것이 이런 거대 순상화산을 만들어낸 배경이다. 화성의 지표 면적은 지구 전체 표면적보다 훨씬 작지만, 건조한 육지 면적과는 비슷한 규모이다 보니 지형적 다양성이 더욱 두드러져 보인다.

극지방 또한 중요한 연구 대상이다. NASA는 오늘날 화성의 물이 주로 지표 바로 아래 물얼음 형태로 존재하며, 일부 경사면에서는 염분이 섞인 물이 계절적으로 흐를 수 있다고 설명한다. 극관의 계절적 성장과 소멸은 지금도 반복되며, 극지방의 얼음은 화성의 기후 기록을 담고 있는 일종의 천연 아카이브로 해석된다. 결국 화성은 물이 "있다/없다"의 단순한 문제가 아니라, 물이 어떤 형태로 어디에 보존되고 있는지를 탐구해야 하는 행성이다.

내부 구조와 분화

화성은 지구형 행성답게 지각, 맨틀, 핵으로 이루어져 있다. 형성 초기 중력 분리를 거치며 내부가 분화됐고, 지금도 그 구조적 흔적이 남아 있다.

지각(crust)의 두께는 약 10~50 km(평균 42~56 km)다. 흥미롭게도 화성의 지각은 고지대인 남반구에서는 두껍고 저지대인 북반구에서는 얇은, 뚜렷한 비대칭을 보이는데 이를 지각 이분법(hemispheric dichotomy)이라 부른다. 주성분은 철과 마그네슘이 풍부한 현무암질 암석이다.

그 아래에는 두께 약 1,300~1,500 km의 맨틀(mantle)이 자리한다. 지구의 맨틀과 달리 화성은 질량이 작아 내부 압력이 낮으므로, 고밀도 광물인 브리지머나이트(bridgmanite) 층이 형성되지 못했고 대신 감람석과 휘석이 주를 이룬다.

가장 안쪽에는 반지름 약 1,800~1,850 km의 핵(core)이 있다. 예상보다 크고 밀도가 낮다는 점이 특징인데, 고체 내핵 없이 전체가 액체 상태로 존재한다. 철과 니켈 합금에 황, 산소, 탄소, 수소 같은 가벼운 경원소들이 약 20%가량 섞여 있어 녹는점이 낮아졌기 때문으로 설명된다.

화성 내부를 직접 들여다보기 위해 설계된 InSight 임무는 이 구조를 밝히는 데 결정적인 역할을 했다. NASA는 InSight가 지진파를 이용해 화성의 핵과 내부 구조를 연구했으며, 2021년 감지된 화성 지진파는 다른 행성의 핵에 처음으로 진입한 것으로 식별된 사례라고 설명한다. 이런 관측은 화성 내부가 균질한 고체 덩어리가 아니라, 물질 조성과 열적 상태가 층상으로 구분된 복잡한 구조임을 보여준다. 내부가 빠르게 식고 대류가 약해지면, 지각 운동과 자기장 유지 역시 점차 어려워질 수밖에 없다.

Part 2...

Part 2에서는 화성의 자기장과 대기 손실, 생명의 존재 가능성, 화성 탐사에 대해 알아보겠다.