일반지구과학및실습Ⅰ 1.1 목성형행성은어떤물질로이루어져있을까 ?

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일반지구과학 및 실습 Ⅰ

1 3 주 차 목 성 형 행 성

- 행 성 의 또 다 른 종 류 -

목성형 행성과 그들의 위성에 대한 연구는 행성계의 형성과 진화를 이해하는 데 도움을 준다

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1 . 행 성 의 또 다 른 종 류

목성형행성은지 구형 행성과는

달리 표면이

단단하지 않고, 많은 위성과

고리들을

지니고 있다

1.1 목성형행성은 어떤 물질로 이루어져 있을까?

• 대부분 수소, 헬륨 그리고 수소화합물로 구성되어있다

• 목성형 행성들 모두가 정확하게 같은 구성으로 이루어진 것은 아니며, 내부 구조 또한 다르다.

일 반 적 인 구 성

• 목성과 토성:

• 거의 대부분 수소와 헬륨으로 구성

• 단지 몇 퍼센트의 수소화합물, 그리고 매우 소량의 암석과 금속으로 구성

• 전체적인 구성성분 면에서 보면 태양과 더 비슷하다.

• 목성은 행성으로서는 크지만 가장 낮은 질량의 별보다 1/80 정도의 질량밖에 되지 않음

• 목성의 중력은 내부에 핵융합에 필요한 온도와 밀도를 갖도록 수축시키기에는 너무나 약함.

• 천왕성과 해왕성:

• 목성과 토성에 비하면 매우 작고 더 적은 수소와 헬륨을 함유

• 주로 물, 메탄 그리고 암모니아와 같은 수소화합물과 적은 양의 금속과 암석으로 구성

구 성 성 분 의 차 이

• 목성형 행성은 태양계의 바깥 영역에서 형성되었다

• 수소화합물이 응결되어 얼음으로 존재될 만큼 온도가 낮은 곳

• 수소화합물이 금속이나 암석보다도 월등히 많은 함량을 차지함으로써, 태양계 바깥쪽의 미행성계 일부가 풍부한 얼음으로 인해 거대한 크기로 성장한 것

• 이러한 미행성체들이 일단 충분한 질량을 갖게 되면 이들의 중력은 주변에 존재하는 수소와 헬륨가스를 끌어당기게 된다.

• 4개 목성형 행성 모두는 지구질량의 10배 이상의 질량을 지닌 얼음이 풍부한 미행성체로 부터 성장

• 감싸고 있는 태양계 성운들로부터는 서로 다른 양의 수소와 헬륨가스를 포획

• 목성과 토성: 지구질량의 318배와 95배

• 현재 질량의 거대한 부분을 차지하는 수소와 헬륨가스를 아주 많이 포획

• 얼음이 풍부한 미행성체로부터 성장하였지만 현재의 미행성체에 의한 질량은 목성 질량의 3% 그리고 토성 질량의 약 10%만을 차지(목성과 토성은 지구질량의 318배와 95배)

• 천왕성과 해왕성: 지구질량의 14배와 17배

• 훨씬 적은 양의 수소와 헬륨가스로 채워졌다

• 전체 질량에서 포획된 수소와 헬륨의 양은 이들 질량의 약 1/3 정도만을 차지

• 수소화합물, 암석, 금속에서 높은 함량을 보임

• 목성형 행성들 사이의 성분 차이는 각 행성의 기원을 추적 가능하게 해준다

구 성 성 분 의 차 이

다른 행성들은 왜 다른 양의 가스를 포획했을까?

• 그들이 형성되었을 당시 태양과의 거리가 달랐기 때문에

• 태양에서 먼 곳에서 응결된 고체 입자들은 태양과 가까운 곳에서 응결된 입자들에 비하여 더 넓은 공간에 퍼져 있었다

• 거대하고 얼음이 풍부한 미행성체로 성장하는데 더 오랜 시간이 걸렸다

• 목성은 태양과 가장 가까운 목성형 행성이며 최초로 미행성체가 가스를 끌어당기기 시작할 정도로 충분한 자체 중력으로 성장하였고, 토성, 천왕성, 해왕성의 순으로 성장

• 태양풍이 남은 모든 가스를 성간 공간으로 날려버린 때 모든 행성이 동시에 가스 포획을 멈추었다

• 더 멀리 있는 행성은 가스를 포획하는 시간이 더 짧았고 그래서 작은 크기로 마감이 됨

밀 도 차 이

• 토성이 천왕성이나 해왕성에 비해 밀도가 상당히 낮다

• 천왕성과 해왕성을 구성하는 수소화합물, 암석과 금속이 일반적으로 수소와 헬륨가스에 비해 밀도가 더 높기 때문이다

• 토성은 목성보다 밀도가 낮다, 왜?

• 목성의 질량이 토성의 3배이상

• 수소와헬륨베게를 추가하면 높이가 상승하지만 베게 더미가 압축되어 밀도가 더 상승한다

• 계산에 의하면 목성이 반경이 목성형 행성이 가질수 있는 최대반경이다

• 목성에 더 많은 질량이 추가되더라도 자체중력으로 압축되어 반경이 작아진다

• 태양계밖 행성들중 목성보다 질량이 크지만 반경이 더 작은 행성들이 관측 됨

토성

목성

밀 도 차 이

• 토성이 천왕성이나 해왕성에 비해 밀도가 상당히 낮다

• 천왕성과 해왕성을 구성하는 수소화합물, 암석과 금속이 일반적으로 수소와 헬륨가스에 비해 밀도가 더 높기 때문이다

• 토성은 목성보다 밀도가 낮다, 왜?

• 목성의 질량이 토성의 3배이상

• 수소와헬륨베게를 추가하면 높이가 상승하지만 베게 더미가 압축되어 밀도가 더 상승한다

• 계산에 의하면 목성이 반경이 목성형 행성이 가질수 있는 최대반경이다

• 목성에 더 많은 질량이 추가되더라도 자체중력으로 압축되어 반경이 작아진다

• 태양계밖 행성들중 목성보다 질량이 크지만 반경이 더 작은 행성들이 관측 됨

토성

목성

목 성 형 행 성 의 내 부

• 목성형 행성들은 ‘가스 행성’

• 바깥층은 가스상태의 수소이지만 안으로 들어가면서 액체상태의 수소, 금속상태의 수소층이 존재

• 핵에는 암석,금속 그리고 수소화합물의 핵으로 구성

• 대기를 통해 비행기가 나는 방식으로 목성의 내부를 통해 비행할 수 없다

• 목성에 뛰어든 우주선은 하강하면서 점차적으로 증가하는 높은 온도와 압력을 느낀다

• 갈릴레오 우주선은 1995년 급상하는 압력과 온도에 의해 파괴되기 전까지 약 한 시간 동안 측정치를 모으는 과학적 탐사를 위해

목성으로 들어갔다.

• 약 200km, 약 0.3%의 목성 반경의 깊이까지만 견뎌냈다.

목 성 형 행 성 들 내 부 비 교

• 4개의 목성형 행성은 거의 같은 질량의 핵을 갖기 때문에 이들의 차이는 내부의 핵을 둘러싸는 수소/헬륨층에 있다

• 토성은 목성과 같은 기본적인 층 구조를 갖는다.

• 토성의 작은 질량은 목성에 비해 상부층의 무게가 더 가볍다

• 압력에 의해 수소의 상태가 변화되는 곳의 각 층을 찾기 위해서는 토성을 더 깊게 들여다봐야만 한다.

• 천왕성과 해왕성의 내부 압력은 액체 또는 금속의 수소로 변형시킬 정도로 충분히 높아질 수 없다

• 내부 핵의 주변에 가스 수소로 된 두꺼운 층만을 갖는다.

• 수소화합물, 암석 그리고 금속의 혼합인 핵이 아마도 액체 상태

• 해왕성과 천왕성의 안쪽 깊은 곳에는 매우 이상한 ‘바다’가 형성됨

• 수소화합물로 된 암석과 금속의 안쪽 핵위에 외핵이 있는 형태로 분화

자 기 장

• 내부 깊은 곳의 대전된 입자들의 운동에 의해 발생된 광범위한 자기장을 지니고 있음

• 목성의 자기장이 가장 강력하며 지구 자기장 세기의 2만 배이다.

• 목성의 금속 상태인 수소의 두꺼운 층에서 발생하였고, 목성 전면에서 태양풍을 3만 킬로미터 정도를 편향시키는 강력한

자기권을 만든다

• 목성의 이오 화산에서 방출된 가스는 이온화되어 도넛 모양의 하전입자의 띄를 형성하는 자기권에 많은 입자공급

• 다른 목성형 행성들도 자기장과 자기권을 갖는다.

• 지구의 자기장보다는 무척 강하지만 목성보다는 훨씬 약하다.

• 토성의 자기장은 전기적으로 전도된 금속 상태인 수소층이 더 얇기 때문에 목성보다 약하다.

• 천왕성과 해왕성은 크기가 더 작고 금속 상태 수소가 전혀 없다.

• 비교적 약한 자기장은 수소화합물, 암석 그리고 금속의 핵‘바다’에서 발생

1.2 목성형 행성의 기후는 어떤가 ?

• 대기권은 역동적인 바람과 색채가 다양한 구름과 강한 폭풍의 기후를 보인다.

• 행성들의 기후는 태양으로부터의 에너지(지구형 행성들에서처럼)에 의해서만 아니라 행성들 자체 사이에서 발생한 열에 의해서도 야기된다.

• 천왕성을 제외한 행성들은 많은 양의 내부 열을 발생

• 목성형 행성의 내부 열의 정확한 근원은 아직 밝혀지지 않았음

• 중력 포텐셜 에너지가 내부 열에너지로 전환되어 나왔을 것으로 추측

• 전체 규모에서 느리지만 미세한 수축 또는 무거운 물질이 핵의 한쪽으로 꾸준히 내려앉는 지속적인 분화로부터 야기되었다

구 름 과 색

• 목성형 행성들의 색에는 구름이 중요한 역할을 한다

• 지구의 구름은 태양의 백색광을 반사시키는 물로 만들어져 있기 때문에 우주에서 보면 하얗게 보인다.

• 목성형 행성들은 몇 가지 다른 유형의 구름이 서로 다른 색의 빛을 반사시킨다.

• 구름은 가스가 응결되어 미세한 액체 방울이나 고체 덩어리가 만들어질 때에 형성

• 지구의 대기에서는 수증기가 구름을 만들기 위해 응결될 수 있는 유일한 가스이지만 목성의 대기에는 세 가지 주요한 유형의 구름을 가지고 있고, 각각은 다른 고도에서 형성

• 가장 낮은 구름층

• 구름 상부로부터 100km 아래에 형성

• 온도는 지구와 유사하고 물은 응결되어 구름을 형성

• 중간 구름층

• 온도는 고도가 올라갈수록 떨어지고 물 구름 상부 약 50km는 암모늄수황화물(NH4SH)로 불리는 가스가 구름으로 응결될 수 있을 정도로 차갑다.

• 붉은 빛과 갈색 빛을 반사시켜 목성의 많은 어두운 색들을 만들어낸다.

• 상부 구름층

• 온도가 매우 낮아서 암모니아(NH3)가 응결하여 흰 구름의 상부층을 형성

구 름 과 색

• 토성도 목성처럼 3개의 구름층을 지니고 있다

• 태양에서 더 멀리 떨어져있고 중력이 약해 온도가 낮다

• 각 층들의 상대적인 고도가 토성의 대기에서 더 깊어짐을 의미한다.

• 천왕성과 해왕성은 너무 차가워 구름층이 너무 깊이 있어 관측되지 않는다

• 낮은 온도는 풍부한 메탄 가스의 일부를 구름을 응결시킴

• 메탄 가스는 붉은 빛을 흡수하고, 푸른 빛만 투과시킨다

• 메탄 구름은 이 푸른 빛을 위로 반사시켜 이 두 행성을 푸르게 보이게 한다

거 대 한 바 람 과 폭 풍

• 가장 놀라운 시각적 특징 중 하나는 목성의 줄무늬이다.

• 상승과 하강하는 대기가 교차되어 나타나는 띠들이며, 각 색들은 우리가 보는 구름에서 기인

• 상승 대기의 띠는 상승 대기가 응결하여 높은 고도에서 흰 암모니아 구름을 형성하기 때문에 하얗다

• 하강하는 대기의 띠는 암모니아 구름을 포함하지 않아 낮은 고도에 놓인 적갈색 암모늄수황화물 구름을 볼 수 있다

• 크기가 큰 목성의 빠른 자전에 의해 생기는 코리올리 효과로 목성을 둘러싸고 있는 구름띠가 뚜렷하게

• 목성에는 매우 빠른 속도의 동서풍이 불게 되며, 때때로 시속 400km가 넘는다

거 대 한 바 람 과 폭 풍 ( 대 적 점 )

• 목성형 행성에서 일어나는 수많은 폭풍중 가장 유명한 것은 대 적점이다

• 지구 지름의 2배가 넘는다.

• 지구의 태풍과 같은데, 차이점은 저기압 지역이

아닌 고기압지역에서 형성되는 바람이라는 것이다

• 지구의 폭풍에 비해 훨씬 오래 유지된다

• 천문학자들은 지난 3세기 동안 대적점을 확인하기 위해 망원경의 성능을 향상시켜왔다.

• 대적점이 이렇게 오래 지속되는 이유는 밝혀내지 못함

• 지구의 폭풍은 대륙을 지나갈 때 그 힘을 잃는 경향이 있지만, 목성의 초대형 폭풍이 수백년간 지속된다

• 에너지를 약화시킬 단단한 표면 효과가 목성에는 없기 때문일 것

목 성 형 행 성 의 기 후 유 형

• 목성: 2개의 또 다른 오래된 폭풍에서는 변화가 일어나고 있음을 HST가 관측

• 색이 붉게 변하고 0있는 데, 둘 중 더 최근인 폭풍은 대적점의 근처를 지나갈 때 찢겨져 분열되었다

• 토성 : 빠른 자전은 빠르게 동서로 교차하는 바람을 따라 상승하고 하강하는 공기의 교차층을 만들어낸다.

• 실제로 토성의 바람은 목성에서보다 훨씬 빠르다. .

• 해왕성: 줄무늬형태의 대기를 지니고 있다

• 목성의 대적점과 유사하게 대흑점으로 불리는 높은 압력의 폭풍을 보인다.

• 대흑점은 오래 지속되지 않는다 (발견된 후 6년이 지나서 사라져버림)

• 천왕성: 1986년 보이저 2호가 지나갔을 때 상당히 한산한 모습이었으나 현재 더 잦은 폭풍을 보인다

• 자전축의 심한 기울어짐과 큰 공전주기 때문에 나타나는 느리지만 극적인 계절 변화 때문일 것이다.

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요 약

참 고 문 헌

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1 . 1 목 성 형 행 성 은 어 떤 물 질 로 이 루 어 져 있 을 까 ? 1 . 2 목 성 형 행 성 의 기 후 는 어 떤 가 ?