1억 년 전의 화성은 어떤 세계였을까: '붉은 행성'이 되기까지의 시간 여행

영상은 먼저 현재 화성의 환경을 확인한다. 화성은 태양계 행성 가운데 지구와 가장 가까운 환경을 지닌 것으로 여겨지지만, 그래도 맨몸의 인간은 곧바로 목숨을 잃을 만큼 가혹하다고 한다. 기압은 지구의 1% 이하이고, 대기의 대부분은 이산화탄소다. 기온은 최고라 해도 20° 정도에 그친다. 지표에 쏟아지는 방사선은 거의 모든 생물이 장기간 견딜 수 없는 수준으로 여겨진다. 이러한 점에서 영상은 현재의 화성을, 적어도 표면에 대해서는 '죽은 행성'이라고 표현한다.

첫 번째 목적지는 지구에서 거대한 공룡이 활보하던 1억 년 전의 화성이다. 영상에 따르면 이 시대에 내려서더라도 눈에 들어오는 것은 지금과 크게 다르지 않은 붉은 행성이라고 한다. 당시 지구에서는 지금보다 넓은 면적을 바다가 덮고 있었지만, 화성에는 바다라고 부를 만한 것이 없었다.

다만 지금과 다른 점도 몇 가지 꼽힌다. 하나는 올림푸스산이다. 높이가 20km를 훌쩍 넘는 태양계 최대의 화산으로, 현재는 화산 활동을 하지 않는 것으로 여겨지지만 1억 년 전에는 아직 소규모 활동이 이어지고 있었던 것으로 생각된다고 한다.

또 하나는 액체 상태의 물이다. 화성 표면에서는 액체 상태의 물이 오래 존재할 수 없지만, 염분 농도가 극히 높은 물이라면 짧은 기간 존재할 수 있을 가능성이 있다. 화성의 토양에는 여러 종류의 과염소산염이 널리 포함되어 있다. 그중에서도 과염소산칼슘은 물의 어는점을 특히 크게 낮추어, 농도에 따라서는 약 -75°에서도 얼지 않는 상태를 만든다는 사실이 밝혀져 있다. 현재의 화성 표면에서도 액체 상태의 물이 흐른 듯한 흔적이 발견되었으며, 그것이 염분을 대량으로 포함한 수명이 짧은 물일 가능성이 제기되고 있다. 다만 영상은 현재의 화성에서 실제로 그러한 현상이 일어나고 있는지는 아직 결론이 나지 않았다고 단서를 단다.

그렇다면 1억 년 전은 어땠을까. 영상은 화성에서 날아온 운석을 조사한 연구를 소개한다. 그 연구는 1억 7000만 년 전 이후에 액체 상태의 물에 의해 변질된 광물이 발견되었다고 보고했다. 이 결과를 바탕으로 영상은, 1억 년 전의 화성에서는 사막에서 보이는 신기루처럼 덧없는 양의 액체 상태의 물을 목격할 수 있었을지도 모른다고 추측한다. 그래도 행성 전체로 보면 지금과 크게 다르지 않다는 것이 결론이다.

화성에는 한때 대규모 바다가 있었다. 이 이야기를 바탕으로 영상은 시대를 더 거슬러 올라간다. 그러나 20억~30억 년 전의 화성도 아직 죽음의 행성이라고 한다. 기압은 지금과 거의 같고, 액체 상태의 물은 표면에 오래 머물 수 없다. 한때의 거대한 바다도 흔적조차 찾아보기 어렵다.

뜻밖에도 이 시대에는 때때로 대규모 홍수가 일어났다는 사실이 밝혀졌다고 영상은 말한다. 액체 상태의 물은 표면이 아니라 지하 깊은 곳에 대량으로 잠들어 있었던 것으로 여겨지며, 그 물을 가두고 있던 표층이 화산 활동으로 크게 교란되었다. 소량이라면 몰라도 대량의 물은 순식간에 증발하지 않는다. 그 때문에 짧은 기간이지만 홍수가 화성 표면을 덮쳤다는 설명이다.

영상은 이 홍수의 규모를 숫자로 보여 준다. 지구의 아마존강 유량은 최대 초당 약 30만 세제곱미터인 데 비해, 화성의 홍수는 최대 초당 10억 세제곱미터로 아마존강의 3000배 이상에 달했던 것으로 여겨진다고 한다. 영상은 휩쓸리기라도 하면 액체 상태의 물이 없어야 할 행성에서 물에 빠지는 귀중한 체험을 할 수 있을지도 모른다고 농담 섞어 이야기한다.

더 거슬러 올라가 37억~43억 년 전에 이르면 지금과는 완전히 다른 광경이 펼쳐진다. 이 무렵의 화성에는 북반구를 거의 통째로 뒤덮은 거대한 바다가 있었던 것으로 여겨진다. 가장 깊은 곳은 수심 1.6km 이상에 달했다고 한다. 영상은 금성, 지구와 함께 태양계에 푸른 행성이 세 개 존재했을 가능성이 있다고 말한다.

이 시대의 화성은 지구와 비슷한 환경이었을 가능성이 있다. 영상이 소개하는 연구는 40억 년 전의 화성이 적어도 0.5기압 이상의 대기를 지니고 있었다고 주장한다. 이산화탄소 등에 의한 온실 효과가 있었다면 태양에서 멀리 떨어진 화성이라도 액체 상태의 물을 유지하고, 나아가 생명을 품고 있었을 가능성이 있다는 것이 영상의 견해다.

그럼에도 영상은 화성이 지구와 다른 운명을 걷게 되는 것은 처음부터 정해져 있었다고 말한다. 그 원인으로 꼽는 것이 태양풍이다. 모든 행성은 태양에서 방출되는 태양풍에 끊임없이 노출되어 있다. 태양풍은 고속으로 날아오는, 전기를 띤 양성자와 전자로 이루어져 있다. 이 입자들이 화성 상공에서 대기 분자와 충돌하면 에너지가 분자에 전달된다. 그 결과 분자가 화성의 중력을 뿌리치고 우주 공간으로 달아나 버린다.

영상의 설명에 따르면 이 현상이 수억 년 동안 이어지면서 대기는 서서히 옅어졌다. 결국 기압은 표면에서 액체 상태의 물을 안정적으로 유지할 수 없을 만큼 낮아졌다. 그러자 바닷물은 증발하고 얼음도 곧바로 수증기로 바뀌게 되어, 대기 중에 대량의 수증기가 포함되게 된다. 수증기에 자외선이 닿으면 산소와 수소로 나뉘는 경우가 있다. 화성의 중력으로는 수소를 붙잡아 둘 수 없어 수소도 우주 공간으로 빠져나간다. 영상은 이렇게 되면 더 이상 물이 화성으로 돌아오는 일은 없다고 설명한다. 남은 산소는 토양 속의 철과 반응해 그 적갈색 녹을 만들었다. 푸른 행성에서 붉은 행성으로의 변화는 약 39억 년 전부터 30억 년 전에 걸쳐 조금씩 진행된 것으로 여겨진다고 영상은 말한다.

지구에서는 바다가 사라지지 않았다. 영상은 그 이유를 자기장에서 찾는다. 자기장이 태양풍의 궤도를 휘게 하여 대기가 사라지는 것을 막고 있다는 것이다. 화성에도 한때는 자기장이 있었지만, 약 39억 년 전에는 완전히 멈춘 것으로 여겨진다.

영상은 여기서 행성에 자기장이 존재하는 조건은 사실 명확히 밝혀지지 않았다고 전제한다. 그런 다음 많은 과학자들의 생각으로 다음과 같은 설명을 소개한다. 자기장이 존재하려면 행성의 핵이 액체 금속으로 이루어져 있어야 한다. 나아가 핵의 안쪽과 바깥쪽의 온도 차에 의한 대류가 필요하다고 한다.

지구의 경우 핵은 고체인 내핵과 액체인 외핵으로 이루어져 있다. 내핵은 중심에서 바깥쪽으로 성장하고 있으며, 외핵의 액체 금속이 식으면서 안쪽부터 고체화해 간다. 이때 가벼운 성분이 외핵으로 밀려나면서 부력이 생기고, 격렬한 대류가 일어난다. 이 대류가 전류를 만들어 지구의 자기장을 유지하고 있는 것으로 여겨진다.

반면 화성에는 몇 가지 불운이 겹쳤다고 영상은 설명한다. 첫째, 화성은 작다. 지름은 지구의 약 절반, 질량은 약 10분의 1에 불과하다. 작은 물체는 큰 물체보다 식기 쉽기 때문에 화성의 핵은 일찍 식었고, 대류가 일어나기 어려워졌다.

둘째, 화성의 핵 주위에는 규소 등으로 이루어진 얇은 액체층이 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 층이 담요처럼 핵을 감싸면서 핵의 바깥쪽과 안쪽의 온도 차가 작아진 것으로 여겨진다. 이러한 요인들로 인해 화성의 자기장은 형성된 지 불과 수억 년 만에 멈추었다. 그 결과 지금의 붉은 행성이 만들어졌다는 것이 영상의 설명이다.

영상은 한때의 화성에는 분명 광대한 바다가 있었고, 그곳에서 지구와 마찬가지로 생명이 싹텄을 가능성도 충분히 있다고 말한다. 하지만 그것은 천문학적으로 보면 아주 잠깐의 환상에 불과했으며, 화성은 자기장을 잃으면서 대기와 물을 모두 잃었다. 나아가 영상은 지구도 수십억 년 뒤에는 팽창하는 태양으로 인해 물을 잃고, 화성과 마찬가지로 죽음의 행성으로 변할 것으로 여겨진다고 덧붙인다. 우주의 시간 축에서는 푸른 행성도 붉은 행성도 결코 영원하지 않다. 영상은 그렇게 마무리하며, 인류가 되도록 빨리 지구에서 탈출할 수 있기를 바란다는 말로 끝을 맺는다.