마크 벨란/Quanta 매거진
마크 벨란/Quanta 매거진
한 과학자 팀이 지구의 쌍둥이가 어떻게 그렇게 살기 힘든 곳이 되었는지, 그리고 우리 행성에서도 같은 일이 일어날지 조사했습니다.
금성은 틀림없이 태양계에서 최악의 장소입니다. 이산화탄소 망토가 행성을 질식시켜 표면에 두개골을 부수는 압력을 가합니다. 황산은 메스꺼운 노란색 하늘을 통해 비가 내리지만 용암이 핥아진 땅에는 결코 도달하지 않습니다. 금성은 납을 녹일 만큼 뜨겁기 때문에 산성비가 떨어지면서 증발합니다.
행성의 극단적인 불친절함은 행성 과학에서 가장 흥미로운 미스터리 중 하나의 핵심입니다. 금성과 지구는 동시에 태양계의 거의 같은 부분에서 동일한 지질학적 구성 요소로 형성되었습니다. 심지어 크기도 똑같습니다. 그렇다면 금성은 왜 지옥이고 지구는 정원일까요?
과학계에서는 금성이 단지 몇 걸음 앞서 있다는 공통점이 있습니다. 금성은 지구를 포함한 모든 거대 암석 행성의 최종 상태를 나타낸다는 것입니다. 가설은 이들 행성이 결국 지질 하층부에서 지구 온난화를 일으키는 온실가스를 격리하는 능력을 상실한다는 것입니다. 그 가스가 대기에 축적되면 세계는 끓어오르는 뜨거운 금성 기후처럼 폭주하는 온실 상태에 들어갑니다. 캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스의 행성 천체 물리학자인 스티븐 케인(Stephen Kane)은 "지난 몇 년 동안 우리는 금성이 지구의 미래를 미리 볼 수 있다는 이야기를 늘 들어왔습니다."라고 말했습니다.
하지만 그 오랜 가정이 사실일까요? 수억년, 수십억년 후에 지구의 기후는 금성의 길을 따라 온대세계에서 재앙적인 온실로 변할 것인가? 케인과 그의 동료들은 그 사실을 알아내려고 노력해 왔습니다. 금성과 지구는 종종 쌍둥이로 불리며 금성은 쌍 중 사악한 것입니다. Reuniting Twins 프로젝트에서 과학자들은 태양 물리학, 화산학, 판 구조론 및 기후 과학을 결합한 지구의 디지털 모델을 개발했습니다. 그들은 모형 지구를 극한까지 밀어붙여 지구를 부수고 금성으로 만들기 위해 가능한 모든 방법을 시도했습니다.
이번 연구는 태양에서 두 번째 암석에 무엇이 그렇게 잘못되었는지를 탐구할 뿐만 아니라 본 연구에 더 가까운 질문을 던지고 있다고 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 행성 과학자인 폴 번(Paul Byrne)은 말했습니다. 그는 이 프로젝트에 직접 참여하지 않았습니다. “지구는 얼마나 오래 거주할 수 있습니까?”
금성은 지구만큼 넓이는 95%, 질량은 81.5%나 됩니다.
NASA
행성 추리 집단
지구의 미래를 예측하려면 금성의 과거에 대한 이해가 필요합니다. 오래 전 금성은 지금의 지구와 크게 다르지 않았을 수도 있습니다. 우주선 조사와 망원경 관찰을 통해 금성 대기에 희귀하고 무거운 형태의 물이 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 금성 대기에 보통 물이 풍부했다는 증거입니다.
연구자들은 그 물이 어떻게 거기에 있었는지 토론합니다. 한 가지 가능성은 어린 금성의 물이 새로 태어난 행성의 표면을 덮고 있는 마그마 바다 위로 떠다니는 증기를 형성했다는 것입니다. 강력한 온실가스인 그 수증기는 탄생한 지 얼마 지나지 않아 세상을 뜨거운 온실 상태로 몰아넣었을 것입니다. 또는 금성의 초기, 행성 전체에 걸친 마그마 바다는 액체 물, 어쩌면 바다만큼의 물이 흐를 수 있을 만큼 빠르게 냉각되어 지각으로 굳어졌을 수도 있습니다. 그게 사실이라면 그 많은 물은 어떻게 된 걸까요?
2020년 뉴욕에 있는 NASA 고다드 우주연구소의 행성 과학자이자 기후 모델러인 마이클 웨이(Michael Way)는 금성 바다가 어떻게 끓어오르게 되었는지에 대한 두 가지 가능성을 조사했습니다.
첫 번째 가설은 태양이 노화되고 수소 연료를 통해 연소됨에 따라 더 많은 햇빛을 방출하여 우리보다 태양에 더 가까이 있는 금성을 포함하여 인근 행성을 점점 더 강렬한 불길에 노출시킨다는 점을 지적합니다. 행성 과학자들은 태양계가 탄생한 지 약 10억년이 지나면 점차 밝아지는 태양이 금성의 모든 액체 물을 효율적으로 기화시킬 수 있었을 것이라고 추정합니다. 그러면 수증기가 금성 대기에 넘쳐 잠재적으로 심각한 지구 온난화를 야기했을 것입니다. 이러한 온난화는 화산에서 이산화탄소를 배출함으로써 더욱 악화되었을 수 있습니다. 이 조합으로 인해 금성은 온실가스 폭주 상태에 빠졌을 수도 있습니다.
좋은 이야기입니다. 그러나 웨이의 모델에 따르면, 태양이 금성의 바다를 증발시켜 금성을 파괴했다는 이론에는 문제가 있습니다. 금성은 축을 중심으로 매우 천천히 회전하며 하루는 지구의 116일, 즉 거의 4개월에 해당합니다. 만약 행성의 낮 부분에 처음에 액체 바다가 있었다면, 그 물의 증발로 인해 두꺼운 구름이 형성되었을 것입니다. 그 거대하고 지속적인 낮 구름은 햇빛을 반사하여 금성을 평소보다 더 시원하게 유지하고 실제로 폭주하는 온실 효과와 무제한적인 지구 온난화를 방지했을 것입니다.
웨이는 금성의 죽음에 대한 더 그럴듯한 용의자는 파괴적인 화산 활동의 한 형태라고 생각합니다. 과거에 지구는 LIP(Large igneous Province)라고 알려진 단일 지역에서 수십만 년, 아마도 수백만 년 동안 지속된 용암의 장기간 폭발을 경험했습니다. 이러한 각각의 사건은 대기에 막대한 양의 이산화탄소를 주입하여 한동안 세상을 극도로 뜨겁게 만들었습니다. 2억 5200만 년 전의 한 LIP는 지구 역사상 최악의 대량멸종을 촉발해 지구를 거의 황폐화시켰습니다.
마젤란 우주선은 1990년대 초 금성의 황량한 표면을 촬영했습니다.
NASA
다행스럽게도 이러한 각 LIP 사건 이후 지구는 점차적으로 과도한 이산화탄소를 암석 깊숙한 곳으로 끌어들이고 행성은 다시 냉각되었습니다. 이것은 섭입(subduction)이라는 과정을 통해 이루어졌습니다. 구조판이 충돌하면 한 판이 다른 판 아래로 내려갈 수 있으며, 용해된 이산화탄소가 풍부한 바닷물을 심연 깊이로 끌어들입니다. 그 탄소는 획기적인 시간 동안 하부 맨틀에 격리된 채로 남아 있습니다. 그 중 일부는 결국 화산 활동을 통해 대기로 다시 분출됩니다. 간단히 말해서 이것이 지구의 지구 온도 조절 장치가 규제되는 방식입니다.
금성에 물이 있었을 때 주요 섭입대가 있는 지구와 같은 판 구조도 있었을 가능성이 있습니다. 그러나 시스템은 행성의 제물로부터 보호할 만큼 널리 퍼지거나 규모가 크지 않았습니다. 특히 여러 LIP 이벤트가 대략 동시에 발생한 경우에는 더욱 그렇습니다. Way의 모델은 여러 개의 동시 LIP가 금성의 대기에 막대한 양의 이산화탄소를 방출하여 세계를 너무 따뜻하게 하여 액체 물의 대부분이 하늘로 끓어올라 온난화를 더욱 가속화할 수 있음을 보여줍니다. 말할 것도 없이 바다가 없기 때문에 그 모든 이산화탄소를 재흡수할 수는 없습니다. 게다가 물은 섭입을 가능하게 합니다. 암석의 녹는점을 낮추어 지각판이 더 쉽게 구부러지고 부서지도록 합니다. 따라서 표면에 물이 전혀 남지 않으면 주요 섭입대가 멈춰 이산화탄소가 매장되는 것을 방지하게 됩니다.
다른 과학자들도 Way의 평가에 동의하는 경향이 있습니다. 즉 태양만으로는 금성을 오늘날의 끔찍한 장소로 만든 책임이 없습니다. 스위스 베른 대학의 행성 과학자인 안나 귈처(Anna Gülcher)는 "거기까지 가려면 여러 번의 극심한 화산 폭발이 필요하다고 생각합니다."라고 말했습니다.
세상을 깨는 방법
금성과 그곳의 온실 황무지를 연구하는 동안 케인은 병적인 호기심을 갖게 되었습니다. 같은 운명이 지구에도 닥칠 수 있을까요? “지구의 탄소 순환을 중단하면 어떻게 될까요?” 그는 말했다. “비너스를 만들어 주실 수 있나요?”
그 사실을 알아보기 위해 그와 그의 팀은 가상 세계를 파괴하는 기계를 만들었습니다. “우리 미래가 50억년이라면 누구나 포스트 아포칼립스나 종말론 시나리오를 좋아합니다.”라고 그는 말했습니다.
행성 천체 물리학자인 스티븐 케인(Stephen Kane)은 지구의 미래가 금성의 현재와 비슷할지 여부를 조사했습니다.
스티븐 케인 제공
첫 번째 단계는 지구 모델을 약 35억년, 태양과 행성의 나이를 80억년으로 앞당기는 것이었습니다. 그 시점이 되면 태양은 오늘날보다 더 밝게 빛날 것이고, 지구의 대기는 금성이 10억 년 전이었을 때와 같은 수준의 뜨거운 별빛을 받게 될 것입니다. 그 당시 금성은 온화하고 물에 잠겨 있거나 바삭바삭해질 정도로 타버리는 전환점에 있었을 것이라고 생각됩니다. 80억년 된 태양은 지구를 비슷한 기후의 칼날로 몰고 갈 것입니다.
팀의 모델은 35억년 후에 지구의 바다가 증발하기 시작하여 대기 중 열을 가두는 수증기가 될 수 있음을 시사합니다. 물이 없으면 섭입이 없을 수 있기 때문에 이는 지구의 주요 섭입대를 없애기에 충분할 수 있습니다(게다가 애초에 이산화탄소가 용해될 물의 양도 적기 때문입니다). "우리는 CO2를 지구 맨틀로 끌어들이는 능력을 잃어가고 있습니다. 그래서 CO2가 쌓이게 됩니다."라고 Reuniting Twins 프로젝트의 회원인 스탠포드 대학의 Michelle Hill은 말했습니다.
주요 섭입대가 폐쇄된다는 것은 지구의 지각판이 충돌하고 서로 밀치는 것을 멈추는 것을 의미합니다. 대신, 그들은 뜨거운 맨틀 주위에 거의 결합된 암석 껍질을 형성할 것입니다. 한동안 맨틀은 더 뜨거워졌는데, 그 이유는 맨틀 주변의 껍질이 내부에 방사성 붕괴 화합물에 의해 생성된 열을 가두기 때문입니다. 내부에 열이 축적됨에 따라 케인의 시뮬레이션에서 지구는 약 1,500만 년 동안 지속되는 화산 활동의 증가를 경험할 것입니다.
"정체 뚜껑 체제"로 알려진 이 기간은 하늘에 더 많은 이산화탄소를 추가합니다. 그러나 폭발적인 스파이크는 수명이 짧습니다. 맨틀은 냉각되고 지각은 어떤 주요 탄소 분출 화산 활동도 거의 투과할 수 없게 될 때까지 두꺼워집니다.
따라서 정체된 뚜껑이 형성된 지 1,500만 년 후에 지구는 새로운 균형에 도달하게 될 것입니다. 가끔 화산 분출이 여전히 일어날 것입니다. (마찬가지로, 과학자들은 금성이 오늘날 화산 활동을 하고 있다는 강력한 증거를 발견했습니다.) 그러나 케인은 이러한 산발적인 폭발이 대기에 많은 탄소를 추가할 것으로 예상되지는 않는다고 설명했습니다.
그 시점에서 팀의 시뮬레이션이 중지됩니다. 미래 지구에 대한 그들의 모델은 얼마나 금성과 비슷합니까?
2012년 하와이의 킬라우에아(Kīlauea) 화산에서 현무암 용암이 흘러나왔습니다. 지구 역사 전반에 걸쳐 때때로 대륙 크기의 현무암 홍수가 지구 온난화와 대량 멸종을 촉발했습니다. 일부 과학자들은 비슷하게 엄청난 용암 분출이 금성을 불태우는 데 도움이 되었다고 의심합니다.
USGS
비너스 같은 곳은 없습니다
약 35억년 안에 지구의 대규모 섭입이 중단되어 지구의 탄소 매장 능력이 무너지면 케인과 그의 팀의 시뮬레이션에 따르면 대기 중 이산화탄소 수준은 0.1바에서 0.8바로 상승할 것으로 나타났습니다. (참고로 오늘날 해수면의 총 대기압은 1bar이고, 그 중 대략 0.04%, 즉 0.042bar는 이산화탄소에서 비롯됩니다.) 이산화탄소가 0.1bar 상승한다는 최상의 시나리오에서도 지구 표면 온도는 섭씨 100도(화씨 212도)를 넘습니다. 0.8바에서도 마찬가지지만 훨씬 더 빠릅니다.
어느 쪽이든, 세계의 표면은 말 그대로 끓어오르게 뜨거워집니다. 케인은 지구가 “폭주 이후 온실가스 상태로 바뀔 것”이라고 말했습니다. "표면 온도가 너무 뜨거워서 물이 다 끓어버릴 겁니다." 세상의 피부 위에 있는 어떤 것도 살아남을 수 없습니다.
그럼에도 불구하고 지구는 오늘날 금성의 상태에 가까워지지 않을 것입니다. 케인은 "비너스 라이트가 될 것"이라고 말했습니다.
금성의 대기는 96.5%가 이산화탄소로 구성된 93bar입니다. 케인과 동료들의 종말 기계는 아무리 밀어붙여도 지구를 그 수준까지 끌어올릴 수 없습니다. "나는 그것에 놀랐다"고 그는 말했다. 맨틀은 정체된 뚜껑으로 봉쇄되어 있기 때문에 화산 활동이 줄어들고, 생각보다 금성식 로스팅으로부터 지구를 잘 보호할 수 있습니다.
독립 과학자들은 Reuniting Twins 프로젝트가 이전 가정에 도전하고 암석 행성의 최종 상태에 대한 논의에 상당한 추가를 했다는 점을 높이 평가했습니다.
Way는 "그들의 아이디어가 마음에 듭니다"라고 말하며 팀의 미래 지구 버전이 "불합리하게 들리지는 않습니다"라고 덧붙였습니다.
워싱턴 대학의 행성과학자 번(Byrne)은 “당신은 결국 냄새나게 뜨거운 세상을 갖게 된다”고 말했습니다. 그러나 그는 금성 수준의 더위가 아닐 가능성이 매우 흥미롭다고 말했습니다.
케인의 팀은 그들의 모델이 LIP 스타일의 대규모 폭발을 고려하지 않았으며 이러한 사건이 미래 어느 시점에서든 대기에 갇힌 탄소를 풍부하게 추가할 수 있다는 점을 인정했습니다. 아마도 지구는 운이 좋지 않아 동시에 여러 개의 LIP 사건을 경험할 수도 있습니다(맨틀이 냉각되고 휘젓는 속도가 느려짐에 따라 시간이 지남에 따라 이러한 가능성은 줄어들 것이라고 케인은 말했습니다). 그렇다면 그 시나리오는 팀의 모델이 제시하는 것보다 지구를 금성과 더 비슷하게 만들 수 있습니다.
불확실성이 많습니다. 그러나 케인의 팀이 대체로 옳다면 비너스는 독특하고 암울한 역사를 가지고 있음을 시사합니다. 무언가(아마도 용암의 범람)가 그 행성을 뼛속까지 불태웠을 것입니다. 한편 지구는 지금까지 스스로 파괴를 일으킬 수 없었습니다. 그것이 미래에도 오랫동안 유지되기를 바랍니다.
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