태양계-목성 Ⅱ

어제는 목성의 특징을 알아보았다. 오늘은 목성의 구조를 자세히 알아보자.
천문학자들은 목성의 내부보다는 눈으로 관측할 수 있는 대기에 대해 더 많은 것을 알고 있다. 목성의 내부 구조는 관측 사실과 물리화학적 지식을 활용하여 짐작할 뿐이다.
대기권 중 가장 높은 층의 온도는 약 800ºC에 이른다. 상층대기에서는 고도가 낮아질수록 온도도 낮아진다. 대기압이 지구 표면 대기압의 약 1/5에 해당하는 지점에서 온도가 가장 낮다.
대류권계면이라고 하는 이 지점은 대기권 상층부와 하층부를 가르는 경계에 해당한다. 대류권계면 아래에서는 내부로 다가갈수록 온도가 점점 올라간다. 목성 표면에서 볼 수 있는 여러 가지 색깔의 소용돌이는 하층대기의 구름 때문에 나타나는 현상이다. 고도에 따라 응결하여 구름을 이루는 구성 성분이 각각 다르다. 가장 높은 층의 구름은 주로 암모니아 얼음으로 이루어져 있다. 순수한 암모니아 얼음은 색이 없다. 구름의 색깔은 발색 단이라고 하는 아주 적은 양의 불순물 때문에 생긴다. 천문학자들은 암모니아 구름층 아래에 암모늄 수황화물로 이루어진 두 번째 구름층이 있다고 생각한다. 암모뉴 수 황화물은 암모니아와 황화수소가 함께 응결할 때 생긴다. 더 깊은 곳에는 물이 언 얼음으로 이루어진 구름층이 있을지도 모른다. 빛이 뚫고 들어갈 수 없는, 압력이 더 큰 지점에는 철이나 규산염으로 이루어진 구름이 존재할 수도 있다.
밝은색과 어두운색 구름이 교대로 무늬를 이루어 목성의 대기를 뒤엎고 있다. 천문학자들은 폭이 넓고 밝은 줄무늬를 대(Zone)라고 하고, 폭이 좁고 어두운 줄무늬를 띠(belt)라고 한다. 대와 띠는 하층 대기권에 부는 바람의 유형 때문에 나타난다. 대가 나타나는 곳에서는 바람이 적도 근처에서 최고 650km/h의 속도로 서쪽에서 동쪽으로 분다. 띠가 나타나는 곳에서는 바람이 이보다 조금 느린 속도로 동쪽에서 서쪽으로 분다. 대가 밝게 보이는 것은 고도가 높은 구름을 포함하고 있어 햇빛을 더 많이 반사하기 때문이다. 띠 지역에 있는 구름은 고도가 더 낮다. 띠가 어두워 보이는 것은 발색 단이 많이 포함되어 있기 때문일 수도 있다. 목성에서 지역에 따라 동풍과 서풍이 교대로 부는 것은 대류 때문이다. 대류는 따뜻한 기체가 위로 올라가고 찬 기체가 아래로 내려오면서 나타나는 대기의 움직임이다. 목성의 내부 에너지는 대기를 고르게 가열하지 않기 때문에 어떤 곳에서는 따뜻한 기체가 위로 올라가고, 어떤 곳에서는 찬 기체가 아래로 내려온다. 이러한 기체의 움직임이 대류를 만들어 낸다. 목성은 자전 속도가 빠르기 때문에 대류를 구부러뜨려 동서 방향으로 길게 뻗게 한다. 코리올리효과라고 하는 이 자전 효과는 지구에서도 바람의 형태에 영향을 미친다. 지구에서는 바다와 대륙과 산맥이 대기의 흐름에 영향을 미치기 때문에 그 양상이 변화무쌍하게 나타난다. 딱딱한 표면이나 장애물이 전혀 없는 목성에서는 동풍과 서풍이 놀라울 정도로 안정적이다. 그 결과, 각각의 줄무늬는 끊임없이 조금씩 변해도 전체적인 대와 띠는 우리가 망원경으로 목성을 처음 관찰한 수백 년 전부터 지금까지 거의 변화가 없다.
목성의 대기에서 가장 눈에 띄는 것은 불그스름한 색의 거대한 타원체인 대적반이다. 대적반은 남북 방향의 길이가 1만 2000km에 이른다. 동서 방향의 폭은 천천히 줄어들고 있지만, 21세기 초에 측정한 바로는 1만 7000km나 되었다. 대적반의 둘레는 지구의 둘레보다 더 길다. 대적반은 
남위 22˚ 부근에서 바람과 함께 목성 주위를 돌고 있다. 영국의 과학자 훅은 1664년에 목성에서 처음으로 커다란 반점을 발견했다. 천문학자들은 1831년에 대적반의 정확한 모양과 위치를 처음 기록했다. 그 후 대적반은 같은 위도 근처에 계속 머물고 있다. 1979년에 두 대의 보이저 탐사선이 지나가면서 찍은 사진을 분석한 결과, 대적반은 소용돌이 기체 구름으로, 한 바퀴 회전하는 데 약 7일이 걸린다. 바깥쪽 가장자리 지점의 최대 풍속은 685km/h에 이르렀다. 대적반과 그 밖의 타원체에서 부는 바람은 저기압 중심부 주위를 도는 바람인 지구상의 허리케인과는 달리 고기압 중심 주위를 돈다. 과학자들은 이러한 기상 계를 역선풍이라고 한다. 목성의 대기에 나타나는 그 밖의 타원체로는 백색 타원체가 있다. 백색 타원체는 대적반보다 훨씬 작고 더 안정적이지 못하다. 백색 타원체는 대의 가장자리에 나타나는 경향이 있지만, 종종 목성 전 지역을 돌아다니곤 한다. 1990년대 말과 2000년대 초에 걸쳐 천문학자들은 백색 타원체 3개가 합쳐져 큰 타원체가 되면서 불그스름한 색을 띠는 것을 관측했다. 새로 생겨난 이 적점은 크기가 대적반의 절반만 하다. 
목성에는 대나 띠, 타원체처럼 수명이 긴 대기 형태 외에 폭풍과 같은 활동적인 날씨 현상도 나타난다. 천문학자들은 보이저호가 보내온 사진에서 밤이 된 목성 지역에 번개 섬광이 이는 것을 처음 보았다. 나중에 탐사선 갈릴레오호는 번개 섬광을 많이 관측하였고, 밤부터 낮까지 구름의 움직임을 추적했다. 천문학자들은 번개 섬광이 지구의 뇌운과 비슷한 작은 깃털 구름에서 일어난다는 사실을 알아냈다.
구름층 아래에서는 대기가 내부와 맞닿는 부분까지 목성의 기압과 온도와 밀도가 계속 올라간다. 그러다가 마침내 목성을 이루는 주요 성분인 수소와 헬륨이 액체에 가까운 상태로 변하는 지점에 도달한다. 구름층 아래 약 1만 km 지점에서 압력은 지표면 대기압의 약 100만 배에 이른다. 이 깊이에서는 수소 원자가 분해되기 시작하여 원자핵에서 전자가 떨어져나온다. 서로 분리된 원자핵과 전자는 ‘액체금속 수소’라는 특이한 형태의 수소가 되는데, 이 물질은 보통 금속처럼 전기가 잘 통한다. 액체금속 수소는 목성의 질량 중 대부분을 차지한다. 과학자들은 이 액체 금속 수소에 흐르는 전류가 목성의 거대한 자기장을 만들어낸다고 믿는다.
목성 중심 부근은 탐사하기가 어렵다. 이곳의 압력은 지표면 대기압의 약 7000만 배에 이른다. 천문학자들은 목성 중심부의 온도가 약 2만 5000˚ C에 이를 것이라고 생각한다. 대부분의 과학 모형에 따르면, 목성의 핵은 비록 밀도가 매우 높긴 하지만 보통 암석과 얼음의 구성 물질로 이루어져 있다. 핵의 질량은 지구 질량의 10~15배에 이르는 것으로 추정된다. 핵에 존재하는 암석 구성 물질 중에는 철과 규산염이, 얼음 구성 물질 중에는 산소와 탄소, 질소가 포함되어 있을 것이다. 그렇지만 목성에는 분명한 핵이 없음을 보여주는 모형도 있다. 이 모형에서는 액체금속 수소가 중심부 부근에서 무거운 원소들과 서서히 혼합된다고 추정한다.