유로파의 거대한 빙하 아래 액체 바다가 존재할 것으로 추측하는 근거는 무엇인가요?

Question

유로파의 거대한 빙하 아래 액체 바다가 존재할 것으로 추측하는 무기화학적 근거를, 목성의 강력한 자기장과 상호작용하는 바닷물 속 용존 이온의 전기 전도성 및 유도 자기장 형성 원리로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

목성의 위성 유로파의 얼음 지각 아래에 액체 상태의 바다가 존재한다는 가설은 무기화학적 전도성과 물리학적 전자기 유도 현상을 통해 뒷받침됩니다. 핵심은 유로파가 목성의 강력한 자기장 내부에 위치하며, 목성의 자전축과 자기축의 불일치로 인해 주기적으로 변화하는 시변 자기장에 노출된다는 점입니다.

​무기화학적 관점에서 유로파 내부의 물은 단순한 순수 증류수가 아닐 가능성이 매우 높습니다. 암석 핵과의 상호작용을 통해 염화나트륨이나 황산마그네슘 같은 다양한 무기 염류가 녹아든 수용액 상태일 것입니다. 이러한 염류들은 물속에서 이온화되어 양이온과 음이온으로 존재하게 되는데, 이는 액체층 전체에 높은 전기 전도성을 부여합니다. 고체인 얼음은 이온의 이동이 제한적이라 전기가 잘 통하지 않지만, 액체 바다 속 용존 이온들은 자유롭게 움직이며 전하를 운반하는 매개체 역할을 합니다.

​이 전도성 액체층이 목성의 변화하는 외부 자기장을 통과할 때 패러데이 법칙에 의해 바다 내부에는 와전류가 발생합니다. 이 전류는 다시 목성의 자기장에 대응하는 유도 자기장을 형성하게 됩니다. 과거 갈릴레오 탐사선이 유로파 근처에서 측정한 자기장의 역전 현상은 내부에 전도성이 높은 거대한 액체층이 존재하지 않고서는 설명하기 어렵습니다. 결국 용존 이온이 포함된 바닷물의 존재가 유로파를 거대한 전도체로 만들어 자기적 반응을 일으키는 핵심 근거가 됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

유로파의 거대한 얼음층 아래에 액체 바다가 존재한다고 추정하는 근거 중 하나는 유도 자기장 현상인데요, 이것은 단순히 물이 있을 것이다라는 추측이 아니라, 무기화학과 전자기학 원리를 이용해 내부에 전기가 잘 통하는 층이 존재함을 간접적으로 확인한 사례입니다. 목성은 매우 강력한 자기장을 가진 행성이며, 유로파는 그 자기장 속을 공전하고 있는데요, 이때 목성의 자기장은 고정되어 있지 않고 시간에 따라 방향과 세기가 계속 변합니다. 이는 목성의 자전축과 자기축이 완전히 일치하지 않기 때문인데요, 따라서 유로파는 공전하면서 끊임없이 변화하는 자기장 환경에 놓이게 됩니다. 전자기학의 전자기 유도에 따르면, 변화하는 자기장이 전기 전도체 내부를 통과하면 내부에 유도 전류가 발생하고, 이 전류는 다시 자기장을 만들어 원래 자기장 변화에 반응하게 됩니다. 즉, 외부 자기장 변화로부터 내부 전류 생성 후 새로운 자기장 형성이라는 과정이 일어납니다. 이때 유로파 내부에 이런 유도 전류가 흐르려면 반드시 전기를 잘 통하는 층이 있어야 하는데요, 순수한 얼음은 전기 전도성이 매우 낮기 때문에 강한 유도 자기장을 만들기 어렵습니다. 반면 바닷물처럼 염이 녹아 있는 액체는 이온이 자유롭게 이동할 수 있어 전기를 비교적 잘 전달합니다. 즉, 액체 상태의 염수는 거대한 전해질 용액처럼 행동합니다. 과학자들은 이 전도성 층의 가장 유력한 후보를 염분이 녹아 있는 액체 바다로 보았는데요, 금속 핵이라면 유로파 전체 자기 특성과 맞지 않고 단순 얼음은 전도성이 너무 낮으며 염수는 실제 관측된 유도 자기장의 세기와 위상 변화를 가장 잘 설명했기 때문입니다. 이 과정은 일종의 우주 규모의 전자기 탐사와 비슷한데요, 지구에서 지하수나 광물층을 찾기 위해 전자기 탐사를 하듯이, 유로파에서는 목성 자기장이 자연적인 탐사 신호 역할을 하고 있는 셈입니다. 감사합니다.