목성형 행성3, 천왕성

 

 

천왕성에 대해서

 

천왕성은 태양계의 일곱 번째 행성이고 가스로 된 거대한 얼음 행성입니다. 행성의 대부분은 초임계 상태에 있는 물, 암모나아, 메탄으로 이루어져 있으며, 이것을 천문학에서는 얼음 또는 휘발물이라고 부릅니다. 천왕성은 다른 거대 행성에 비해 내부 열이 매우 낮다는 특징을 가지는데 그 온도는 태양계 행성 중 최저 기온인 약 49 켈빈입니다. 그리고 천왕성의 대기는 복잡한 층으로 된 구름 구조를 가지고 있습니다. 천왕성은 태양 주위의 84년 궤도 주기를 가지며, 42년 동안 태양광을 받고, 그 후 42년 동안은 어둠이 지속됩니다.

 

 

천왕성은 태양계 행성 중 세 번째로 큰 지름과 네 번째로 큰 질량을 가지고 있습니다. 천왕성의 휘발성 맨틀 층 내부는 암석으로 된 중심부가 있고 주변은 수소와 헬륨이 밀집해 있습니다. 상층 대기에서는 소량의 탄화수소와 이산화탄소 존재한다는 것이 밝혀졌습니다. 천왕성의 대기에서는 최고 풍속이 시속 900 킬로미터이고, 극지방에서 얼음으로 덮여 하얗게 보이는 부분인 극관의 변화, 불규칙한 구름의 형성 등 설명되지 않은 기후 현상이 많이 존재합니다. 

 

다른 거대 행성들과 마찬가지로 천왕성도 고리를 가지고 있으며, 자연 위성이 자기권을 돌고 있습니다. 천왕성의 고리는 받는 태양빛의 약 2%밖에 반사되지 않으며 매우 어둡습니다. 천왕성의 자기권은 매우 비대칭적이며 많은 하전 입자를 가지고 있는 것이 고리와 위성들이 어두운 이유 중 하나일 수 있습니다.

 

천왕성은 매우 어두워서 윌리엄 허셜이 처음 관측했을 땐 행성으로 분류되지 않았습니다. 발견된 지 약 70년 후에서야 행성이라는 합의에 도달했습니다. 

 

 

천왕성의 내부 구조

천왕성의 질량은 지구의 약 14.5배로 목성형 행성들 중 가장 질량이 작습니다. 천왕성의 지름은 지구의 약 4배로 해왕성보다 약간 크고, 밀도는 토성에 이어 두 번째로 낮은 행성입니다. 천왕성은 물, 암모니아, 메탄과 같은 다양한 성분들의 얼음으로 이루어져 있습니다. 얼음 물질이 아닌 나머지는 암석 물질로 설명됩니다. 천왕성 구조의 표준 모델은 중심부에 암석으로 된 핵이 있고, 중간에는 얼음 맨틀, 바깥쪽에 가스로 된 수소/헬륨의 대기권의 3층으로 구성됩니다. 핵은 상대적으로 작고 압력은 800만 기가파스칼이고 온도는 약 5000 켈빈입니다. 얼음 맨틀은 사실 얼음으로 구성되어 있지 않으며, 뜨겁고 밀도 있는 물, 암모니아, 다른 휘발성 유체로 구성되어 있습니다. 전기 전도도가 높은 이 유체는 때때로 물-암모니아 바다라고 불리기도 합니다. 상부 대기는비교적 실질이 없으며 천왕성 반지름 마지막 20%까지 퍼져있습니다

 

천왕성 깊은 곳에 있는 극단적인 압력과 온도는 메탄 분자를 분해하고 탄소 원자가 다이아몬드 결정으로 응축되어 우박처럼 맨틀을 향해 쏟아집니다. 이 현상은 과학자들에 의해 목성, 토성, 해왕성에 존재한다고 이론화되고 있는 다이아몬드 비와 비슷합니다. 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 매우 높은 압력하에서의 실험은 맨틀의 기초가 금속 액체로 된 탄소의 바다로 구성되어 있을 수 있음을 보여줍니다. 천왕성과 해왕성의 부피를 차지하는 구성은 목성이나 토성과 달리 가스보다 얼음이 지배적이기 때문에 얼음 거인 행성으로 따로 분류되는 것을 정당화합니다.

 

위에서 얘기한 천왕성 모델은 완벽한 것은 아닙니다. 하지만 현재 입수 가능한 데이터로 볼 때, 천왕성의 유체로 된 내부 구조는 천왕성이 고체 표면을 갖지 않는다는 것을 의미합니다. 기체 대기는 점차적으로 내부의 액체 층으로 바뀝니다. 

 

 

내부 열기

천왕성 내부의 열기는 다른 거대 행성보다 현저히 낮은 것처럼 보이지만, 천문학적 의미에서는 단위 면적당 열에너지의 흐름인 열 속이 낮습니다. 천왕성의 열유속은 지구 내부의 열 유속보다 낮습니다. 왜 천왕성의 내부 온도가 이렇게 낮은지는 아직 이해되지 않았습니다. 천왕성과 크기와 조성에서 거의 쌍둥이 행성인 해왕성은 태양으로 받는 에너지의 2.61배를 우주로 방사하지만, 천왕성은 여분의 열을 거의 방사하지 않습니다. 천왕성의 대기는 모든 태양계 행성 중에서 가장 차가우며, 대류권 계면은 에서 측정된 최저 기온은 49 켈빈입니다. 그 이유에 대한 가설 중 하나는 천왕성 상층에 어떤 장벽이 핵의 열기가 표면에 도달하는 것을 막는다는 것입니다.

 

얼음 거인 행성인 천왕성의 내부 상태는 감람석과 페로페리클라아제 등 광물을 포함한 물을 압축함으로써 모방할 수 있으며, 천왕성과 해왕성의 내부 액체에 대량의 마그네슘이 용해되어 있을 가능성이 있는 것으로 나타났습니다. 만약 천왕성이 해왕성보다 마그네슘을 더 많이 가지고 있다면, 마그네슘은 단열층을 형성하고 이를 통해 천왕성의 저온을 설명할 수 있습니다.

 

 

천왕성의 대기

천왕성의 대기는 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져 있습니다. 행성 중심부로 갈수록 물, 암모니아, 메탄 등 상당히 풍부한 휘발성 물질이 있습니다. 반대로 온도가 낮기 때문에 수소나 헬륨보다 무거운 가스를 거의 포함하지 않는 상층 대기도 마찬가지입니다. 

 

천왕성의 대기는 주로 5개의 층으로 나뉩니다. 지구와는 달리 천왕성의 대기에는 중간권이 없습니다. 대류권에는 메탄 구름, 황화수소와 암모니아 구름 ,황화암모늄 구름, 그리고 물로 된 구름 이 있습니다. 상위 두 개의 구름 층만이 직접 관측되고 있으며, 더 깊은 층의 구름은 추측에 남아있습니다. 구름 위에는 광화학적인 얇은 안개 층이 몇 개 있습니다. 분리된 밝은 대류권 구름은 천왕성에서는 드물고, 이는 아마도 행성 내부의 대류가 느리기 때문이라고 추측됩니다.