210531 [네이버캐스트] 행성의 대기 - (맥스웰 - 볼츠만 분포가 만든)

ㅇ 태양계 행성들의 대기는 크게 두 가지로 구분
- 지구나 화성과 같이 단단한 지각을 갖는 지구형행성들은 질소나 산소, 이산화탄소와 같은 비교적 무거운 기체로 이루어진 대기를 갖는 반면
- 목성이나 토성과 같은 거대 가스 행성, 즉 목성형행성들은 수소나 헬륨과 같은 가벼운 기체로 구성

 

ㅇ 수소나 헬륨은 우주에서 빛으로 관측되는 물질의 99%를 차지할 정도로 풍부한데 지구형 행성의 대기에 드문 이유는 무엇? 수성이나 달에 대기가 없는 이유는 또 무엇?
- 행성의 대기를 이루는 기체분자들의 속력은 제각기 다르다
- 행성의 대기를 이루는 기체는 자유롭게 움직이며 공간을 채우는 것처럼 보이지만 행성의 중력의 영향을 받는다

- 바다도 중력의 영향을 받지만 액체는 거의 압축이 일어나지 않아서(4000m 깊이에서 1.8% 부피감소) 깊이에 따른 밀도 변화가 크지 않지만 기체는 높이에 따른 밀도변화가 매우 크다.
- 바다는 해수면이라는 뚜렷한 경계를 갖는 반면, 대기는 경계가 분명하지 않고 상층으로 갈수록 희박해지면서 행성간 공간으로 이어진다

- 이러한 차이는 물질의 상태에 따른 분자들 간의 인력의 차이에서 비롯

 

ㅇ 대기를 이루는 기체 분자들의 속력(운동에너지)은 대기의 온도와 관계
- 온도가 같다고 해서 모든 기체분자들이 같은 속력을 갖는 것은 아니다
- 기체분자들이 움직이는 방향도 제각각
- 대기의 온도는 기체분자 전체의 평균속력(정확히 말하면 제곱평균제곱근(root-mean-square) 속력)을 결정

 

ㅇ 온도가 높아지면 기체분자들 전체의 평균속력이 커지고, 온도가 낮아지면 작아진다.
ㅇ 기체 분자들의 속력은 맥스웰 볼츠만 분포를 따른다
ㅇ 볼츠만의 연구에 의해 기체 분자들은 예측 가능하고 규칙적인 분자속력분포를 갖는다는 것이 밝혀졌다
ㅇ 기체분자들의 속력분포는 기체운동론에 근거
ㅇ 이 속력분포는 맥스웰-볼츠만 분포라고 한다.
ㅇ 주어진 온도에서 매우 적은 수의 분자들만이 매우 낮거나 높은 에너지를 갖고 대부분은 그 중간값의 에너지를 갖는다
ㅇ 같은 온도라도 기체에 따라 평균속력이 다른 것은 기체에 따라 분자량이 다르기 때문
ㅇ 헬륨이나 네온과 같이 가벼운 기체들은 속력이 빠른데, 같은 운동에너지로 더 빠르게 움직일 수 있기 때문
ㅇ 맥스웰 볼츠만 분포에 따르면, 온도가 증가하면 속력이 빠른 분자들이 더 많이 늘어난다.
ㅇ 기체분자의 속력은 일정하지 않고 다른 분자와의 충돌로 계속 바뀐다
ㅇ 온도가 변하지 않는 한 특정 범위의 운동에너지를 갖는 분자들의 수는 변하지 않는다.
ㅇ 분자들 사이의 충돌은 분자들의 속력이 가능한 한 가장 무질서하게 분포되도록 만드는데, 이때의 분포가 바로 맥스웰-볼츠만 분포이다.
ㅇ 고온이 되면 기체 분자들은 더 빠르게 움직이므로 분포곡선은 속력이 빠른 쪽으로 이동하고 속력분포의 폭도 넓어진다. 이 때 평균속력이 증가하는 정도보다 속력이 빠른 분자들의 개수 증가가 더 두드러지게 일어난다.
ㅇ 두 가지 온도에서의 산소기체의 분자속력분포. 온도가 증가하면 빠른 속력을 갖는 분자들의 수가 더 많이 늘어난다.

 

ㅇ 행성의 대기는 우주로 새어 나간다
ㅇ 대기 상층부의 기체분자들 중에 지구탈출속력보다 더 빨리 움직이는 분자들은 충분한 운동에너지를 가지고 있어서 대기권 밖으로 달아날 수 있다.
ㅇ 그렇지만 이로 인해 맥스웰-볼츠만 분포곡선의 고에너지 영역의(빠른 속력을 갖는) 분자들이 없어지는 것은 아니다
ㅇ 대기는 태양으로부터 에너지를 얻고 있기 때문에 다른 분자들이 고에너지 분자로 바뀌고, 다시 이 분자들이 탈출
ㅇ 행성의 대기는 얼마나 빨리 우주로 새어나갈까?
ㅇ 대기를 이루는 기체의 평균속력과 행성의 탈출속력과의 차이에 의해서 결정
ㅇ 평균속력이 행성의 탈출속력보다 아주 작다면 대기 중의 기체가 모두 새나가는데 아주 오랜 시간이 걸릴 것
ㅇ 지구 대기 중의 질소와 산소, 수증기 등이 이에 해당
ㅇ 대기는 거의 그대로 유지된다고 볼 수 있다.
ㅇ 수소나 헬륨과 같은 가벼운 기체는 평균속력이 매우 크다.
ㅇ 이들 대부분이 지구를 빠져나가는데 그리 오랜 시간이 걸리지 않는다.

 

ㅇ 화성의 대기는 우주로 빠르게 유출 중
- 행성의 대기를 결정짓는 가장 중요한 변수는 행성의 표면온도와 질량
- 금성과 화성의 대기의 주성분은 이산화탄소와 질소
- 약  95~96% 정도의 이산화탄소와 3% 정도의 질소
- 두  행성의 다른 점은 대기의 밀도
- 금성표면의 대기압은 화성표면 보다 15000배나 높다.
- 금성의 대기밀도는 매우 높고 화성의 대기밀도는 매우 희박
- 행성의 질량의 차이 때문이다. 화성 표면에서의 대기압은 지구표면에서의 대기압의 약 1/160 정도에 불과
- 화성의 질량이 지구나 금성 질량의 1/10 정도에 불과해서 대기를 붙들어 두는 힘이 약하기 때문
- 화성의 대기는 계속 우주공간으로 빠르게 유출되고 있다.

 

ㅇ 달에는 대기가 없다. 달의 하늘이 까만 것은 햇빛을 산란시킬 대기가 없기 때문이다.
- 달이나 수성의 대기는 이미 다 우주공간으로
- 달의 하늘은 새까맣게 보이는데 이는 햇빛을 산란시킬 대기가 없음을 보여주는 증거
- 달 표면에 대기가 없는 이유는 질량이 작기 때문
- 달 표면에서의 탈출속도(2,400m/s)는 지표면에서의 탈출속도(11,200m/s)의 약 1/5에 불과
- 달의 질량은 지구의 약 1/80에 불과
- 수성은 달 보다 질량이 4.5배 정도 더 크기 때문에 중력이 달보다 더 크기는 하지만 또 다른 문제는 태양에 훨씬 가까이 있어서 표면온도가 더 높다는 것