바다의 파도. 이미지 출처:Silas Baisch/Unsplash 지구의 부드러운 바람은 호수에 주름을 거의 주지 않습니다. 하지만 토성의 가장 큰 달인 타이탄에서는 동일한 돌풍이 2층 건물만큼 높은 파도를 일으킬 수 있습니다.
그 이상한 불일치는 간단하지만 놀라울 정도로 어려운 질문을 묻는 새로운 연구의 초점입니다. 지구를 떠나면 파도가 왜 그렇게 다르게 행동하는가?
수십 년 동안 과학자들은 거의 모든 것(중력, 기압, 온도, 심지어 액체 자체)이 다른 세계에서 파도가 어떻게 형성될 수 있는지 예측하려고 노력해 왔습니다. 파도가 물을 이동시키는 것 이상의 역할을 하기 때문에 이는 중요합니다. 그들은 해안선의 모양을 바꾸고, 퇴적물을 운반하고, 액체를 섞습니다. 시간이 지남에 따라 전 세계의 기후 및 지형 역사에 대한 단서를 남길 수 있습니다.
외계의 파도는 지구의 법칙을 따르지 않습니다
지금까지 지구 너머의 파도를 예측하려는 대부분의 시도는 단일 요소, 즉 중력에 초점을 맞추었습니다. 그게 큰 제약이 됐어요.
파도는 행성이 얼마나 강하게 아래로 끌어당기는가에만 의존하지 않습니다. 또한 액체의 밀도, 점성, 표면이 얼마나 쉽게 교란되는지에 따라 달라집니다. 또한 바람이 에너지를 아래 액체에 얼마나 효과적으로 전달할 수 있는지를 포함하여 위의 대기에 따라 달라집니다.
이전 모델은 이러한 모든 요소를 하나의 프레임워크에 결합하는 데 어려움을 겪었습니다. 이로 인해 외계 호수가 유리처럼 매끈하게 유지될지 아니면 높은 파도로 솟아오르게 될지 예측하기가 어려워졌습니다.
그래서 연구자들은 PlanetWaves라는 새로운 모델을 구축했습니다. 중력, 대기 조건, 그리고 밀도, 점도, 표면 장력과 같은 액체 특성을 설명합니다.
"이 논문을 위해 개발된 스펙트럼 파동 모델인 PlanetWaves는 적용된 바람 기후에 반응하여 액체 표면 높이의 4차원 스펙트럼을 생성합니다. 이 물리학 기반 모델은 모든 행성에 적용될 수 있습니다"라고 연구 저자는 지적합니다.
간단히 말해서, 팀은 완벽하게 고요한 외계 호수에 바람이 처음 닿을 때 무슨 일이 일어나는지 알고 싶었습니다. 첫 번째 퍼프는 얼마나 강해야 합니까? 잔물결은 언제 파도가 되나요? 그리고 그 파도는 얼마나 커질 수 있을까요?
지구의 호수에서 외계 해양까지
모델을 테스트하기 위해 연구자들은 먼저 모델을 집으로 가져왔습니다. 그들은 PlanetWaves를 슈피리어 호수에서 20년간 측정한 부표와 비교하여 지구상의 실제 파도 높이와 풍속 한계점을 재현할 수 있는지 확인했습니다.
그런 다음 그들은 그것을 낯선 영역으로 밀어 넣었습니다.
타이탄에서 호수는 물처럼 반응하지 않는 액체 메탄과 에탄으로 이루어져 있습니다. 이는 낮은 중력, 낮은 대기압 및 더 가벼운 액체의 조합과 결합되어 파도 형성을 놀라울 정도로 쉽게 만듭니다. 이 모델은 미풍도 약 10피트(약 3미터) 높이의 파도를 생성하여 천천히 움직이지만 급격하게 상승할 수 있음을 보여줍니다.
팀은 또한 화성, 특히 제제로 분화구(Jezero Crater)와 같은 장소에서 시간을 거슬러 올라갔습니다. 화성은 수십억 년에 걸쳐 대기를 잃으면서 표면 압력이 떨어졌습니다. 이 모델은 이런 일이 발생했을 때 동일한 파도를 생성하기 위해 점점 더 강한 바람이 필요했음을 암시하며, 고대 화성 호수가 어떻게 행동했을지에 대한 단서를 제공합니다.
태양계 너머에서는 그 차이가 더욱 극심해집니다. 예를 들어, LHS 1140 b(지구와 유사한 얼음 외계 행성)에서는 더 강한 중력이 파도 성장을 억제합니다. 즉, 지구와 같은 바람이 더 작은 파도를 생성한다는 의미입니다. Kepler-1649b의 밀도가 높은 황산 호수는 움직임에 저항하므로 강한 바람조차도 잔물결을 일으키기 어렵습니다.
바다가 녹은 암석으로 이루어진 게자리 55e에서는 시속 약 80마일의 허리케인급 바람이 불어도 높이가 불과 몇 센티미터에 불과합니다. 두껍고 무겁고 점성이 있는 용암은 물처럼 움직이기를 거부합니다.
"지구에서 우리는 특정 파동 역학에 익숙해져 있습니다. 하지만 이 모델을 사용하면 액체, 대기, 중력이 다른 행성에서 파도가 어떻게 작용하는지 확인할 수 있어 직관에 도전할 수 있습니다."라고 연구 저자 중 한 명이자 Woods Hole Oceanographic Institution(WHOI)의 과학자인 Andrew Ashton은 말했습니다.
외계파가 우리에게 알려주는 것
이 PlanetaryWaves 모델은 이국적인 파도를 설명하는 것 이상의 역할을 합니다. 이는 행성 표면을 연구하는 새로운 길을 열어줍니다. 예를 들어, 타이탄에는 강과 해안선이 있지만 지구에서 흔히 볼 수 있는 삼각주 형성은 놀라울 정도로 적습니다. 이 모델은 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
파도가 그곳에서 다르게 행동한다면 예상치 못한 방식으로 풍경을 재구성할 수도 있습니다. 이 모델은 그러한 미스터리를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
실용적인 가치도 있습니다. 타이탄의 호수에 탐사선을 착륙시키는 것을 목표로 하는 향후 임무에서는 해당 장비가 어떤 종류의 파도에서 살아남아야 하는지 알아야 합니다. 고요한 지구 호수를 설계하는 것도 한 가지입니다. 느리게 움직이지만 높이 솟아오른 외계 파도를 위한 디자인은 또 다른 것입니다.
그러나 현재 모델은 여전히 우리가 직접 관찰하지 않은 조건, 특히 멀리 떨어진 외계 행성과 심지어 파도 활동이 아직 명확하게 확인되지 않은 타이탄에 대한 가정에 의존하고 있습니다.
따라서 다음 단계는 이러한 예측을 향후 임무나 개선된 관찰을 통해 얻은 실제 측정값과 비교하는 것입니다.
이 연구는 JGR Planets 저널에 게재되었습니다. .
