화성 대기의 열 구조 – Mars’ Thermal Profile

화성의 평균 표면 압력은 6mbar 이고, 평균 온도는 215K 정도 입니다. 하지만, 화성의 대기압이 낮기 때문에 열 용량(heat capacity)이 낮고, 궤도가 경사져(obliquity) 있는 등의 이유로 위도나 계절, 낮과 밤에 따른 온도나 기압의 변화가 큽니다. 중위도 지역에서 표면 온도는 밤에 200K 정도까지 떨어졌다가 낮에 300K 정도로 상승합니다. 겨울에 극지방은 온도가 130 K 정도이지만, 여름에는 190 K 까지 올라가기도 합니다.

화성의 온도 체감률(lapse rate)은 3K/km를 넘는 일이 거의 없습니다. 위에서 화성이 여러 이유에 인해 기압이 변한다고 했는데, 이는 화성 극지방의 극관(polar cap)에 상당한 양의 이산화탄소(CO2)로 이루어져 있기 때문입니다. 극관의 변화가 가뜩이나 얇은 화성의 대기에 상당한 영향을 미치는 것입니다.

화성의 극관입니다.

화성의 한 해(year) 동안 화성 표면 전체 온도의 평균을 재보았을 때 화성이 근일점(perihelion season)에 있을 때 온도가 가장 높았고, 원일점(aphelion)에서 온도가 낮았습니다. 화성의 모래폭풍(dust storm)은 화성이 근일점 근처에 있을 때 가장 빈번하게 일어나는데, 이는 화성의 온도가 매 해 변동하는 원인입니다.
모래폭풍이 부는 동안 화성의 대기온도는 낮이나 밤이나 모래폭풍이 불지 않을 때보다 높습니다. 반면에 모래폭풍이 불 때 불지 않을 때보다 화성의 표면 온도는 낮 에는 낮고, 밤에는 높은 현상을 보입니다.

화성 대기

고도에 따른 화성 대기의 열 구조(thermal profile)

화성 탐사선인 스피릿(Spirit)과 오퍼튜니티(Opportunity)에 탑재한 미니-열복사 분광계(Mini-TES; Miniature Thermal Emission Spectrometers)를 통해 화성 표면 가까이(~2km)에 있는 대기의 온도를 측정했습니다. 표면에 가까이 있는 이 화성의 대기는 지면에 매우 큰 영향을 받습니다. 낮 동안에 화성 대기의 고도에 따른 온도 변화는 초단열(superadiabatic)적으로 변하는 반면, 밤에는 역전층(inversion layer)이 형성됩니다. 이는 낮에 지표면이 태양열을 받아 뜨거워질 때, 표면 온도의 최고치만큼 대기의 온도가 올라가지만, 약간의 시간차를 두고 대기가 뜨거워지기 때문입니다. 1m 상공에서는 2.75 시간, 1km 상공은 4.5 시간만큼 차이가 납니다.

금성과 마찬가지로, 화성에서 성층권(stratosphere)은 찾아볼 수 없습니다. 120km보다 높은 영역인 화성의 열권(thermosphere)에서는 온도가 약 160K 이하에서 일정하게 나타납니다. 열권의 온도가 낮은 이유도 금성과 마찬가지로, 이산화탄소가 냉각제 역할을 하기 때문입니다.  ==★

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