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- 폭발적인 분출은 대기 상층부로 대량의 수증기를 분출시킬 수 있다
- 이 수증기는 결정화되어 얼음, 우박, 또는 화산설의 형태로 땅으로 떨어질 수 있어
- 폭발적인 분출을 시뮬레이션하여 초당 최대 100만 톤의 수증기를 대기 중으로 분출

화성: 얼음과 불의 역사
화산이 화성 적도에 물의 얼음 퇴적물을 만들었을 가능성

먼저 불, 그다음 얼음:
화성의 화산은 한때 용암과 화산재를 분출했을 뿐만 아니라, 복원된 자료에서 알 수 있듯이 붉은 행성에 광범위한 얼음 퇴적물을 남겼을 가능성도 있다. 화산 폭발로 엄청난 양의 수증기가 화성 대기로 분출되었고, 그 수증기는 얼음으로 굳어졌다. 이는 화성 적도에서 발견된 얼음 퇴적물의 기원과 오늘날까지 보존된 이유를 설명할 수 있다. 

▲ 마스 익스프레스(Mars Express) 우주선이 촬영한 이 사진은 얼음이 풍부할 가능성이 있는 메두사 포사이 평원에서 고지대까지의 이동 과정을 보여준다. 그렇다면 얼음이 어떻게 이 적도 지역까지 도달했을까? © ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

현재 건조하고 추운 화성에도 극지방의 만년설뿐만 아니라 물의 얼음이 존재한다. 화성 궤도선과 화성 탐사선 또한 화성의 중위도 및 저위도 지역에서 물의 흔적을 발견했다. 이는 화성 적도에도 지하에 물의 얼음 퇴적물, 어쩌면 빙하와 같은 형태가 존재할 수 있음을 시사한다.

얼음은 어떻게 화성 적도까지 도달했을까?

"이러한 발견은 적도 지역에 조밀한 얼음 퇴적물이 있는 일종의 '오아시스'가 존재할 수 있음을 시사하는데, 이는 예상치 못한 결과다"고 애리조나 주립대학교의 사이라 하미드와 그녀의 동료들은 설명했다. 차가운 화성에서도 얼음은 극지방 근처에서만 퇴적되고 즉시 다시 승화되지 않기 때문이다. "질문은 여전히 ​​남는다. 이 얼음은 어떻게 형성되었을까?"라고 연구팀은 묻는다.

한 가설은 화성의 자전축이 더 가파르게 기울어져 적도 근처에 얼음이 퇴적되었을 가능성을 제시한다. 그러나 이 얼음은 타르시스 지역이나 티레니아 테라 고원과 같은 고지대에 주로 축적되었을 것이다. 연구진은 "따라서 경사각 변화로 인한 얼음의 재이동은 화성 적도에 물이 존재할 가능성을 완전히 설명할 수 없다"고 기술했다.

▲ 적도 근처의 메리디아니 평원(Meridiani Planum)은 표면 아래에 얼음 퇴적물이 숨겨져 있을 가능성이 있다. 이는 궤도선 탐사선이 측정한 이 지역의 수소 과잉량으로 추정된다. © NASA/JPL-Caltech/애리조나 대학교

화산이 물을 운반하는 존재인가?

대신 하미드와 그녀의 연구팀은 다른 가설, 즉 화성 화산 활동을 연구했다. "폭발적인 분출은 대기 상층부로 대량의 수증기를 분출시킬 수 있다"고 그들은 설명한다. 그곳에서 이 수증기는 결정화되어 얼음, 우박, 또는 화산설의 형태로 땅으로 떨어질 수 있다. 예를 들어 지구에서는 알래스카 리다우트 화산 폭발 후 화산성 우박이 발생했고, 피나투보 화산 폭발 후에는 화산성 뇌우와 폭우가 발생했다.

"결과적으로 화산재와 얼음 혼합물이 퇴적되거나 심지어 화산재로 덮인 얼음층이 형성될 수 있다"고 연구진은 기술했다. 그들은 오늘날까지 화성 적도에서 발견되는 물의 얼음 잔해가 매우 유사한 화산 활동에서 유래했을 것으로 추정한다. 이를 검증하기 위해 하미드와 그녀의 팀은 화성 적도에서 물이 특히 풍부한 두 지역, 메리디아니 평원과 메두사 포사에를 모델로 이 시나리오를 재구성했다.

단 한 번의 분출로 미터 두께의 얼음이 형성돼

두 지역 근처에는 실제로 화산이 존재한다. 메리디아니 평원에서 멀지 않은 곳에 시르티스 마요르 화산 지대가 있다. 메두사에 포사는 올림푸스 몬스와 타르시스 화산을 포함한 여러 화산, 그리고 이 지역 한가운데 위치한 아폴리나리스 몬스를 포함하여 여러 화산으로 둘러싸여 있다. 연구진은 시르티스 마요르와 아폴리나리스 몬스의 폭발적인 분출을 시뮬레이션하여 초당 최대 100만 톤의 수증기를 대기 중으로 분출했다.

▲ 시르티스 마요르 화산 지대는 메리디아니 평원 근처에 있습니다. 얼음은 한때 그곳에서 왔을까? © ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

하미드와 그의 연구팀은 "이는 이러한 분출이 미터 두께의 얼음 퇴적물을 생성할 수 있음을 보여주었으며, 이는 화성 적도의 수소가 풍부한 지역과 일치한다"고 보고했다. 구체적으로, 예를 들어 아폴리나리스 몬스가 3일간 분출했다면 메두사에 포사 지역에 약 5미터 두께의 얼음층이 형성되었을 수 있다. 이 얼음은 화산재층으로 덮여 승화로부터 크게 보호되었을 것이며, 따라서 오랫동안 보존되었을 가능성이 있다.

미래 화성 탐사에도 흥미로운 사실

연구진에 따르면, 화성의 초기 화산 폭발은 화성의 물과 얼음 재분배에 결정적인 역할을 했을 가능성이 있다. 하미드와 그의 연구팀은 "폭발적인 화산 폭발은 얼음이 적도에 도달하는 반복적인 메커니즘이었을 가능성이 있다"며 "이는 화성의 저위도 지역에서 얼음 함량이 증가한 이유를 설명할 수 있다"고 기술했다.

이러한 시나리오는 행성 연구에 흥미로울 뿐만 아니라 미래의 화성 탐사에도 중요할 수 있다. 화성 우주비행사들은 온화한 적도 지역에서도 스스로 얼음을 찾고 로켓 연료를 생산할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 만약 그러한 생명체가 존재했다면, 이러한 얼음 저장소에서 초기 화성 미생물의 흔적을 발견할 수도 있을 것이다.

참고: Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-63518-8
출처: Nature Communications,

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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