달의 대기
1. 개요
달의 대기는 달 표면을 둘러싼 매우 희박한 기체층이다. 달 대기는 주로 지각과 맨틀의 방사성 붕괴로 방출되는 라돈과 헬륨, 유성진, 태양풍, 햇빛에 의한 스퍼터링 현상으로 생성된다. 달의 중력, 탈출 속도, 태양 복사압, 태양풍의 자기장 등의 영향으로 기체가 손실되며, 나트륨, 칼륨, 아르곤, 헬륨, 네온 등의 원소로 구성되어 있다. 달의 대기 밀도는 지구의 해수면과 비교했을 때 매우 희박하며, 과거에는 화산 활동으로 두꺼운 대기를 보유했던 시기가 있었으나 태양풍에 의해 소실되었다.
| 설명: 달은 매우 희박한 대기를 가지고 있음. 달 표면으로부터 100km 고도까지의 총 질량은 약 25,000kg으로 추정됨. |
| 압력 | 약 0.3 nPa (3×10−15 atm) |
|---|---|
| 총 질량 | 약 25,000 kg (표면에서 100km까지) |
| 주요 성분 | 헬륨 (He) 네온 (Ne) 아르곤 (Ar) 나트륨 (Na) 칼륨 (K) 수소 (H₂) |
| 기타 성분 | 메탄 (CH₄) 암모니아 (NH₃) 이산화 탄소 (CO₂) |
| 추정 | 수분 (H₂O) |
| 기원 | 태양풍 운석 충돌 달 내부 가스 방출 |
|---|---|
| 유지 메커니즘 | 중력 약하여 가스 입자가 쉽게 우주로 탈출 |
| 비정상적인 특성 | 먼지 폭풍 발생 가능성 (정전기적 부유로 인한) |
|---|---|
| 광학적 현상 | 박명 광선 관측 가능 |
| 우주에서의 관측 | 달에서 황도광 관측 가능 |
2. 기원
달 대기의 주요 기원은 지각과 맨틀의 방사성 붕괴로 인해 방출되는 라돈 및 헬륨 기체이며, 유성진, 태양풍, 햇빛에 의한 스퍼터링 현상으로 인해서도 발생한다.
달 대기의 발생원 중 하나는 가스 방출이며, 지각이나 맨틀 내의 방사성 붕괴에 의해 라돈이나 헬륨 등의 가스가 방출된다. 또 다른 발생원은 유성 먼지나 태양풍 등의 달 표면 충돌이며, 스퍼터링으로 알려져 있다. 스퍼터링에 의해 방출된 가스는 대기가 되는 외에, 다음과 같은 과정을 거친다.
* 달의 중력에 의해 다시 레골리스에 묻힌다.
* 입자의 상향 속도가 달 표면의 탈출 속도 2.38km/s보다 빠르면 달에서 탈출한다.
* 태양의 복사압이나 가스가 이온화되어 있다면 태양풍의 자기장에 의해 우주로 탈출한다.
3. 손실
대기의 기체는 다음과 같은 이유로 손실이 일어난다.
* 중력으로 인해 다시 레골리스화 된다.
* 달의 탈출 속도를 넘는 속도로 운동해 달을 탈출한다.
* 태양의 복사압이나 태양풍에 의해 달을 탈출한다.
기체는 다음과 같은 과정을 거칠 수 있다.
* 달 표토에 달의 중력의 결과로 다시 침투될 수 있다.
* 입자가 초속 2.38km/s의 달의 탈출 속도 이상으로 움직인다면 달에서 완전히 탈출할 수 있다.
* 태양 복사 압력에 의해, 또는 기체가 이온화된 경우 태양풍의 별 자기장에 휩쓸려 우주로 손실될 수 있다.
달 대기의 발생원 중 하나는 가스 방출이며, 지각이나 맨틀 내의 방사성 붕괴에 의해 라돈이나 헬륨 등의 가스가 방출된다. 또 다른 발생원은 유성 먼지나 태양풍 등의 달 표면 충돌이며, 스퍼터링으로 알려져 있다. 스퍼터링에 의해 방출된 가스는 대기가 되는 외에, 다음과 같은 경과를 거친다.
* 달의 중력에 의해 다시 레골리스에 묻힌다.
* 입자의 상향 속도가 달 표면의 탈출 속도 2.38km/s보다 빠르면 달에서 탈출한다.
* 태양의 복사압이나 가스가 이온화되어 있다면 태양풍의 자기장에 의해 우주로 탈출한다.
4.1. 구성 성분 (현재)
지구 해수면에서는 1 세제곱센티미터당 1019개의 분자가 존재하지만, 달에서는 같은 부피에 106개 이하의 분자가 존재한다. 이 밀도는 국제 우주 정거장 궤도의 지구 대기 밀도와 비슷하며, 지구 기준으로 달의 대기는 상당히 좋은 진공으로 간주된다.
달 대기에는 나트륨과 칼륨 등, 금성, 지구, 화성 대기에서 발견되지 않는 희귀한 원소가 존재한다. 나트륨과 칼륨은 지구에서 분광학적 방법으로 밝혀졌으며, 라돈-222나 폴로늄-210 등 동위 원소는 루나 프로스펙터의 알파 입자 분광기로 발견되었다. 아폴로 계획 우주비행사들이 설치한 감지기에서는 아르곤-40, 헬륨-4, 산소, 메테인(CH4영어), 질소(N2영어), 일산화 탄소(CO영어), 이산화 탄소(CO2영어)가 발견되었다.
현재 달의 낮을 기준으로 달 대기에 존재하는 원소의 양은 1 세제곱센티미터당 다음과 같다.
4.2. 과거의 대기
NASA의 과학자들은 아폴로 계획에서 채취한 달의 마그마 연구 결과를 토대로, 30억~40억 년 전 약 7000만 년 정도 기간 동안 두꺼운 대기를 보유한 적이 있었다고 2017년 10월에 발표했다. 대기의 기원은 화산 활동이었으며, 두께는 현재 화성 대기의 두 배 정도였다. 과거의 대기가 생명체가 존재하기 적합했을 것이라는 주장도 있지만, 생명체의 흔적은 현재까지 발견되지 않았다. 이 과거의 대기는 태양풍에 의해 벗겨져 우주 공간으로 사라졌다.
5. 연구 및 탐사
달의 대기는 지구, 화성, 금성의 대기에서는 발견되지 않는 나트륨과 칼륨을 포함한 특이한 기체들로 구성되어 있다. 지구 해수면에서 대기 1 세제곱센티미터에는 약 1019개의 분자가 있지만, 달의 대기는 같은 부피에 106개 미만의 분자를 포함한다. 이는 지구에서는 매우 훌륭한 진공 상태로 간주되며, 실제로 달 표면의 대기 밀도는 국제 우주 정거장이 궤도를 도는 지구 대기 외곽 가장자리의 밀도와 유사하다.
지구 기반 분광학적 방법을 사용하여 달의 대기에서 나트륨과 칼륨 원소가 감지되었으며, 루나 프로스펙터의 자료를 통해 라돈-222 및 폴로늄-210 동위원소가 추정되었다. 아폴로 계획에서 설치한 현장 감지기에서는 아르곤-40, 헬륨-4등이 감지되었다.
5.1. 아폴로 계획
아폴로 계획의 우주비행사들이 달에 설치한 감지기에서는 아르곤-40, 헬륨-4, 산소, 메테인(CH₄), 질소(N₂), 일산화 탄소(CO), 이산화 탄소(CO₂)가 발견되었다.
현재 달의 낮을 기준으로 달 대기에 존재하는 원소의 양은 1 세제곱센티미터 기준으로 다음과 같다.
2017년 10월 미국 항공 우주국(NASA)의 과학자들은 아폴로 계획에서 채취한 달의 마그마 연구 결과를 토대로, 30억~40억 년 전 약 7000만 년 정도 기간 동안 두꺼운 대기를 보유한 적이 있었다고 발표했다. 대기의 기원은 화산 활동이었으며, 두께는 현재 화성의 대기 정도였다. 과거의 대기가 생명체가 존재하기 적합했을 것이라는 주장도 있지만, 생명체의 흔적은 현재까지 발견되지 않았다. 이 과거의 대기는 태양풍에 의해 벗겨져 우주 공간으로 사라졌다.