해왕성의 대기권

해왕성의 대기권

해왕성의 대기는 전체 물질을 차지하고 있습니다. 양의 5~10% 가량의 코어를 10~20% 정도 확장했습니다. 높은 고도에서 해왕성의 대기권은 80%가 수소이고, 19%가 헬륨이며, 미량의 메탄도 존재합니다. 주요 흡수대는 600nm 이상 파장의 적색과 적외선의 스펙트럼 위치에 있습니다. 천왕성에 비해 흡수는 대기권의 메탄 부분으로 해왕성을 푸른 색조로 보이게 합니다. 해왕성의 발랄한 담청색은 천왕성의 부드러운 청색과는 다르지만, 해왕성의 대기중의 메탄 함량이 천왕성과 비슷하기 때문에 일부 미지의 대기성분은 해왕성의 색깔에 도움을 준다고 여겨집니다. 해왕성의 대기권은 두 개의 주요 영역으로 세분화될 수 있습니다. 저층의 대류권은 고도에 따라 온도가 낮아집니다. 이 곳의 온도는 고도에 따라 높아집니다. 두 층 사이의 경계는 대류권은 기압이 0.1바(10kPa, 1바=0.1MPa=100kPa, 대략 지구상 1개의 표준대기압)에 있습니다. 성층권은 기압이 10~10마이크로바(1~10Pa) 이하인 곳에서 열성층이 되고, 열성층은 점차 산일층으로 이행됩니다.

 

모형은 해왕성의 대류를 나타냅니다. 층의 구름띠는 각기 다른 해발고도의 성분에 따라 결정됩니다. 고도의 구름은 기압이 1파스칼 이하에서 나타납니다. 이 곳의 온도는 메탄을 응결시킬 수 있습니다. 스트레스는 1바에서 5바까지입니다. (100kPa500kPa)까지 암모니아와 황화수소로 알려진 구름이 형성됩니다. 압력은 5바 이상이고 구름은 암모니아, 황화암모니아, 황화수소 및 물을 포함할 수 있습니다. 더 깊은 곳의 수빙운은 압력이 대략 50바(5MPa) 정도 되는 곳에서 발견할 수 있습니다. 이 곳의 온도는 0℃에 달합니다.아래쪽에서는 암모니아와 황화수소 구름이 발견될 수 있습니다. 해왕성 고층 구름은 저층 구름 꼭대기에 그림자를 드리우고, 고층 구름도 같은 위도에서 행성 주위를 도는 것이 관찰되기도 합니다. 이 고리대의 폭은 대략 50~150㎞이고, 낮은 구름 꼭대기에서 50~110㎞ 정도 됩니다. 해왕성의 스펙트럼은 성층권의 낮은 층이 희미하다는 것을 나타냅니다. 이는 자외선으로 인해 에탄과 아세틸렌, 예를 들어 메탄 광분해의 산물이 엉기기 때문입니다. 성층권도 미량의 일산화황과 시안화수소의 원천인 해왕성의 성층권은 탄화수소 농도가 높아 천왕성보다 따뜻합니다.

아직 모르는 것들이 존재하는 원인은 이 행성의 열성층이 약 750K의 이상 고온이기 때문입니다. 태양에서 오는 자외선 복사로부터 열을 얻기에는 이 행성에게 태양과의 거리가 너무 멉니다. 한 가설의 가열 메커니즘은 행성의 자기장과 이온의 상호작용이고, 다른 가설은 내부로부터의 중력파의 대기권에서의 소비됩니다. 열성층은 감지 가능한 이산화탄소와 물을 포함하고 있으며, 그 원천은 유성체와 먼지 등 외부에서 올 수 있습니다. 

 

기후

해왕성과 천왕성 사이 한 가지 차이점은 전형적인 기상활동 수준입니다. 해왕성의 날씨는 매우 활발한 것이 특징입니다. 1986년 보이저 2호가 천왕성을 통과했을 때 이 행성은 시각적으로 매우 평범했습니다. 1989년 보이저 2호가 날아다니는 동안 해왕성은 유명한 날씨 현상을 보였습니다. 해왕성의 대기는 태양계 중 가장 높은 풍속이 있는데, 그 내부의 열류에 의해 추진된 것으로 추정되며, 그 풍속은 시속 2100km 정도로 초음속도가 높습니다. 적도대 지역에서 더욱 전형적인 풍속은 시속 1200km 정도까지 올라갑니다. 포복풍급인 세계기상기구에서 권장하는 등급별 지구풍속은 최대 12등급으로 약 118km입니다. 지속적인 구름을 추적하는 운동으로 측정한 결과, 해왕성의 풍속은 동쪽에서 초속 20m, 서쪽에서 초속 325m이며, 바람이 부는 속도는 적도 400m/s에서 양극에서 250m/s까지 다양합니다. 해왕성의 바람 대다수는 지구의 자전과 반대 방향으로 움직이고 있습니다. 바람의 일반적인 모드는 고위도 지역에서는 순행 회전, 저위도 지역에서는 역행 회전으로 나타납니다. 흐름 방향의 차이는 일종의 '피부향상 효과'로 인식되는 것이지, 더 깊은 대기과정에 의한 것은 아닙니다. 위도 70°S에서 초속 300m의 속도를 냅니다.

해왕성의 대기는 메탄입니다. 에탄과 아세틸렌의 풍도는 양극의 10~100배에 달합니다. 이것은 적도 상승류와 같은 것으로 해석됩니다. 양극 부근이 가라앉았다는 증거는 환류(環流)를 거치지 않았기 때문에 광화학은 이러한 분포를 설명할 수 없습니다.

 

대흑점

1989년, 아메리칸 항공입니다우주국의 보이저 2호 우주선이 대흑점(The Great Dark Spot)을 발견했습니다. 해왕성 표면의 남위 22도에서 어떤 것은 목성의 대홍색과 비슷합니다. 반점 및 토성의 대백반에 이르는 난상 사이클론에서 약 16일 주기로 시계 반대 방향으로 회전하는 것을 '대흑점'이라고 합니다. 대흑점은 18.3시간 정도 해왕성을 한 바퀴 돌고 있기 때문에 해왕성의 자전주기보다 길고 대흑반 부근의 위도에서는 초속 300m의 강한 서풍이 불고 있습니다. 보이저 2호는 남반구에서 16시간가량 행성을 한 바퀴 도는 불규칙한 흰 연기 덩어리를 발견해 '더 스쿠터(The Scooter)'라는 사실을 알아냈습니다. 대기권 낮은 곳에서 솟아오르는 깃발일지 모르지만 그 실체는 미스터리입니다. 그런데 1994년 11월 2일 허블망원경이 해왕성을 관찰한 결과 큰 검은 반점이 사라졌습니다. 그것은 그냥 사라졌을 수도 있고, 대기권의 다른 부분에 잠시 가려졌을 수도 있습니다. 몇 달 후 허블 망원경은 해왕성의 북반구에서 새로운 검은 반점을 발견했습니다. 이는 해왕성의 대기권 변화가 잦다는 것을 보여주는 것으로, 구름의 위쪽과 아래쪽의 온도차이의 미세한 변화 때문일지도 모릅니다.

 

활주차

스쿠터(Scooter)는 대흑반 남쪽의 또 다른 폭풍으로 흰색 뭉게구름입니다. 1989년 보이저 2호가 해왕성을 방문하기 몇 달 전 과학자들이 발견해냈습니다. 큰 검은 반점보다 더 빨리 움직이기 때문에 번호가 명명되었습니다. 이어 그래픽에는 슬라이더보다 더 빠르게 움직이는 클라우드 덩어리가 보입니다. 작은 검버섯은 1989 보이저 2호가 방문한 기간 중 풍속 강도 2위를 기록한 남부 허리케인입니다. 처음엔 완전히 어두웠지만 보이저 2호가 접근하는 과정에서 밝은 핵심이 형성돼 대부분 최고 해상도의 그래픽에 있습니다. 2007년 해왕성의 남극은 표면 평균 온도(대략 -200℃)보다 약 10℃ 높은 것으로 나타났습니다. 이렇게 10℃ 높은 온도는 메탄을 우주로 방출하기에 충분합니다. 해왕성의 다른 지역 상층 대기권에서는 메탄이 동결되어 있습니다.

해왕성은 목성형 행성입니다. 그 아래 반투명한 클라우드 기반 영역에 고층 구름이 그늘을 드리우는 것이 특징 중 하나입니다. 비록 해왕성의 대기는 천왕성의 활약보다 훨씬 크지만 이들은 모두 같은 기체와 얼음으로 이루어져 있습니다. 천왕성과 해왕성은 모두 목성과 토성의 엄격한 의미의 목행성이 아니라 다른 종류의 원일행성에 속합니다. 즉 이들은 비교적 큰 고체핵을 가지고 있고 얼음도 그 구성 성분으로 함유하고 있습니다. 해왕성 표면온도는 1989년에 측정한 꼭대기 구름층의 온도가 -224℃(49K)로 매우 낮습니다. 계절의 변화로 인해 해왕성 남반구의 구름대의 크기와 반사율이 증가하고 있습니다. 이런 추세는 이르면 1980년에 일어나 2020년께까지 이어질 것으로 보입니다. 해왕성의 긴 궤도주기로 사계절이 40년 지속됩니다. 

 

폭풍

해왕성의 폭풍은 너무 강력하며 태양계 목성형 행성 중 가장 강합니다. 태양계의 외곽에 있는 것을 감안하여 태양을 받아들이는 태양빛입니다. 지구상에 비해 1000배 미약합니다.(아직도 매우 밝습니다.시성 등-21), 이것은 현재과학자들의 원래 기대와 맞지 않습니다. 행성이 태양에서 멀어질수록 폭풍을 구동하는 에너지는 적어야 한다는 것이 일반적인 생각입니다. 목성의 풍속은 이미 수백 킬로미터/시기에 달했고, 더 멀리 떨어진 해왕성에서 과학자들은 바람이 더 느리지 않고 더 빨라졌다는 것을 발견했습니다(1600 킬로미터/시기에). 이러한 현저한 이상 현상의 하나는 폭풍이 충분한 에너지를 가지면 난류를 발생시켜 풍속을 늦출 수 있기 때문입니다(목성에서 그랬던 것처럼). 그러나 해왕성에서는 태양에너지가 너무 미약해서 바람이 불기 시작하면 장애가 적어 높은 속도를 유지할 수 있습니다. 해왕성은 태양으로부터 받은 에너지보다 더 많은 에너지를 방출합니다. 따라서 이 폭풍들은 아직 확정되지 않은 내적 에너지원을 가지고 있을 수도 있습니다.

2007년에 해왕성의 남극은 표면 평균 온도(대략 -200℃)보다 약 10℃ 높게 관측되었습니다. 이렇게 10℃ 높은 온도는 메탄을 우주로 방출하기에 충분합니다. 다른 지역 해왕성의 경우대기층에서는 메탄이 동결되어 있습니다. 이 상대적 이슈는 해왕성의 궤도경사각으로 인해 남극이 지난 40년 동안 태양빛을 받았는데, 일해왕성의 해는 165지구년에 해당하기 때문입니다. 해왕성이 서서히 태양에 가까워짐에 따라 남극이 어두워지고 북극이 태양빛으로 밝게 빛나기 때문에 남극에서 북극으로 메탄 방출지역을 옮기게 됩니다.