지구와 쌍둥이 행성이라 불리지만 표면 온도 470도, 대기압 92기압의 극한 환경을 가진 금성. 황산 구름이 덮고 있고 온실효과가 폭주한 금성의 대기 구조와 이렇게 된 원인, 그리고 도전적인 탐사 역사를 알아봅니다. 오늘은 금성의 지옥 같은 대기, 태양계에서 가장 뜨거운 행성에 대해서 살펴보겠습니다.
지구의 사악한 쌍둥이
금성은 크기와 질량, 구성 면에서 지구와 매우 비슷하여 쌍둥이 행성이라 불리는데, 지름은 12,104킬로미터로 지구의 95%이고 질량은 지구의 81.5%이며 평균 밀도도 5.24 g/cm³로 지구와 비슷합니다. 태양에서 두 번째로 가까운 행성으로 평균 거리가 1억 800만 킬로미터인데, 금성의 궤도가 거의 완벽한 원형이라서 이심률이 0.007에 불과하여 태양계에서 가장 원에 가까운 궤도를 가지고 있습니다. 하지만 환경은 지구와 완전히 다른데, 금성은 태양계에서 가장 뜨거운 행성으로 평균 표면 온도가 470도에 달하며 이는 태양에 더 가까운 수성보다도 뜨거운 온도입니다. 이렇게 뜨거운 이유는 극단적인 온실효과 때문인데, 금성의 두꺼운 대기가 태양 에너지를 가두어 표면을 가열하고 있습니다. 금성의 대기는 96.5%가 이산화탄소이고 3.5%가 질소인데, 지구 대기압의 92배에 달하는 엄청난 압력으로 지구 바다 깊이 900미터에 해당하는 압력입니다. 표면에서 살아남는 것은 거의 불가능한데, 납이 녹고 탐사선이 몇 시간 내에 파괴되는 극한 환경입니다. 금성의 대기 중층에는 황산으로 이루어진 구름층이 있는데, 고도 45-70킬로미터에 걸쳐 형성되어 있으며 황산 방울들이 떠다니다가 증발하는 사이클을 반복합니다. 이 황산 구름은 태양 빛의 약 75%를 반사하여 금성을 밤하늘에서 가장 밝은 천체 중 하나로 만드는데, 최대 밝기일 때는 겉보기 등급이 -4.9에 달해 금성보다 밝은 것은 태양과 달뿐입니다.
금성의 지옥 같은 대기
금성이 이렇게 극단적인 환경을 가지게 된 것은 폭주 온실효과 때문인데, 이는 온실효과가 제어 불능 상태로 악화되는 과정을 말합니다. 초기 금성은 지구처럼 액체 물이 있었을 가능성이 있는데, 태양에 더 가까워서 받는 태양 에너지가 더 많았고 이로 인해 해수가 증발하기 시작했습니다. 대기 중 수증기는 강력한 온실가스로 작용하여 온도를 더 높였고, 높아진 온도는 더 많은 물을 증발시키는 악순환이 시작되었습니다. 결국 모든 물이 증발하여 대기로 올라갔고, 태양의 자외선이 수증기를 분해하여 수소는 우주로 날아가고 산소는 지표의 암석과 반응했습니다. 물이 사라진 후에는 암석에 고정되어 있던 이산화탄소가 대기로 방출되었는데, 지구에서는 물이 있어서 이산화탄소가 암석에 고정되지만 금성에는 물이 없어서 모든 이산화탄소가 대기에 축적되었습니다. 현재 금성 대기의 이산화탄소 총량은 지구 지각에 고정된 이산화탄소와 비슷한데, 만약 지구의 모든 탄산염 암석이 분해되어 대기로 방출된다면 지구도 금성과 비슷한 환경이 될 것입니다. 금성의 대기 구조는 독특한데, 표면에서 고도 약 50킬로미터까지는 대류권으로 온도가 고도에 따라 감소하며 뜨거운 공기가 상승하고 차가운 공기가 하강하는 대류가 일어납니다. 고도 50-65킬로미터는 구름층으로 황산 구름이 세 층으로 나뉘어 있는데, 하층은 입자가 크고 상층은 작은 황산 방울로 구성되어 있습니다. 고도 65킬로미터 이상은 중간권과 열권으로 온도가 다시 상승하는데, 태양 복사를 직접 흡수하기 때문입니다. 금성의 바람 패턴도 특이한데, 슈퍼로테이션이라는 현상이 있어서 고층 대기가 행성 자전보다 훨씬 빠르게 회전합니다. 금성의 자전 주기는 243일로 매우 느린데, 고도 60킬로미터의 구름층은 4-5일 만에 행성을 한 바퀴 도는데 이는 자전 속도의 60배에 달하며 바람 속도가 시속 350킬로미터에 이릅니다.
금성 탐사의 도전과 미래
금성 탐사는 극한 환경 때문에 매우 도전적인데, 1960년대부터 여러 나라가 탐사선을 보냈지만 많은 실패를 겪었습니다. 소련이 베네라 프로그램으로 가장 성공적인 금성 탐사를 수행했는데, 1970년 베네라 7호가 최초로 금성 표면에 착륙하여 23분간 데이터를 전송했고, 1975년 베네라 9호와 10호는 최초로 금성 표면 사진을 보내왔습니다. 베네라 13호와 14호는 1982년 컬러 사진을 촬영했는데, 표면이 현무암질 암석으로 덮여 있고 납작한 돌들이 널려 있는 모습을 보여주었습니다. 이 착륙선들은 강화된 압력 용기와 냉각 시스템을 갖추었지만 최대 2시간 정도만 작동할 수 있었는데, 금성의 극한 환경이 전자기기를 빠르게 파괴하기 때문입니다. 1990년 NASA의 마젤란 탐사선은 금성 궤도를 돌면서 레이더로 표면을 촬영했는데, 황산 구름을 투과할 수 있는 레이더를 사용하여 표면의 98%를 상세히 지도화했습니다. 마젤란이 발견한 금성 표면은 화산 활동으로 형성된 지형이 대부분인데, 16만 개 이상의 화산이 있고 거대한 용암 평원이 표면의 80%를 덮고 있으며, 판 구조론의 증거는 없지만 활발한 화산 활동과 지각 변동의 흔적이 있습니다. 2006년 발사된 ESA의 비너스 익스프레스는 2014년까지 금성을 관측하면서 대기 순환과 슈퍼로테이션 메커니즘을 연구했고, 남극 쌍극자 소용돌이를 발견했습니다. 2015년 일본의 아카츠키가 궤도에 진입하여 현재까지 금성 대기를 관측하고 있는데, 구름 패턴의 변화와 중력파를 연구하고 있습니다. 2020년 금성 대기에서 포스핀이 검출되었다는 발표가 있어 큰 논란을 일으켰는데, 포스핀은 지구에서 생명체가 만드는 기체이지만 후속 연구에서 검출이 확실하지 않다는 결과가 나왔고 현재도 논쟁이 계속되고 있습니다. 미래 금성 탐사 계획으로는 NASA의 DAVINCI+와 VERITAS, ESA의 EnVision이 2030년대 발사 예정인데, DAVINCI+는 대기를 통과하며 화학 성분을 분석하고 표면에 착륙할 것이며, VERITAS와 EnVision은 레이더로 표면을 정밀 조사하여 활화산의 증거를 찾을 것입니다. 금성은 지구의 미래를 경고하는 행성인데, 온실효과가 제어되지 않으면 어떤 결과가 오는지 보여주며 기후 변화 연구에 중요한 교훈을 제공합니다.