토성(Saturn)

토성(Saturn)

 

 

토성은 지구에서 맨 눈으로 볼 수 있는 행성 중 가장 바깥쪽에 있다. 목성 다음으로 크며 보이저 탐사 이전에는 알려진 것이 거의 없었다. 토성의 하루는 10시간 39분으로 자전속도가 매우 빨라 적도 부근이 많이 나와있다. 주로 수소로 이루어져 있으며 밀도가 물보다 낮은 유일한 행성이다. 토성의 가장 큰 특징은 거대한 고리이다. 토성도 목성과 마찬가지로 줄무늬가 있다. 그러므로, 토성과 목성의 대기 운동은 흡사하다. 적도 부근에는 초속 500m의 강풍이 분다. 목성과 달리 서풍이 불며 위도가 높아질수록 풍속은 감소한다. 토성의 대기에도 목성과 같은 얼룩무늬가 있다. 목성과는 달리 이 무늬는 흰색이기 때문에 대백점이라고 부른다. 이것은 1876년 미국의 천문학자 홀이 발견하였다. 목성의 대적점은 최소한 300년이지만 토성의 대백점은 수주일 혹은 1년을 넘기지 못한다. 대백점은 토성 대기의 밑에서 올라온 대기가 상공에서 응결되어 구름을 형성하는 현상으로 보인다. 구름의 성분은 암모니아 입자로 생각된다. 토성의 내부는 목성과 비슷할 것으로 생각된다. 중심에는 암석이나 얼음으로 된 핵이 있으며 그 바깥쪽에는 액체상태의 수소와 헬륨이 있으며 가장 바깥쪽에는 두꺼운 대기로 되어 있다. 대기의 성분은 주로 수소이다. 목성과 마찬가지로 토성도 자전속도가 매우 빨라 강력한 자기장이 있다. 목성보다 약하지만 지구의 20배이다. 토성도 내부에서 에너지를 방출하고 있다. 그러나, 목성처럼 생성시 중력에너지로는 충분하지 못하다. 그래서, 액체 수소 안을 헬륨이나 얼음 등이 떨어져 들어갈 때 해방되는 중력에너지가 열을 발생하는 것으로 추정하고 있다. 토성은 태양계의 6번째 행성으로서, 적도 직경이 119,300킬로미터이며 두번째로 크다. 이 행성에 대해 알고 있는 것은 대부분 1980-1981 보이저(Voyager) 탐사에서 알려진 것들에 기초한다. 토성은 매우 빠른 자전의 결과로 극지방이 눈에 띨 만큼 평평하다. 토성의 하루는 10시간 39분이며 태양을 한 바퀴 도는데 29.5년이 걸린다. 대기는 주로 수소로 이루어졌으며 소량의 헬륨과 메탄을 포함한다. 토성은 물보다 밀도가 낮은 유일한 행성이다(30%정도 적음). 그러므로 충분히 큰 바다가 있다면 토성은 둥둥 떠다닐 것이다. 토성의 몽롱한 노란 색상을 바탕으로, 비록 흐리기는 하나 목성(Jupiter)의 줄무늬와 유사하게 넓은 범위에 걸친 대기의 띠 무늬가 나있다. 토성의 바람은 매우 빠르다. 적도 근처의 풍속은 거의 초속 500미터에 달한다. 대부분의 바람은 동쪽으로 분다. 가장 강한 바람은 적도 근처에서 발견되며 위도가 높아질 수록 풍속은 감소하는데 그 비율은 일정치 않다. 35도 보다 높은 위도에서는, 위도가 높아짐에 따라 풍향이 동서 방향으로 번갈아 바뀐다. 토성의 고리들로 인하여 태양계에서 가장 아름다운 천체로 꼽힌다. 토성의 고리는 밝은 A,B고리와 흐릿한 C고리를 포함하여 많은 수로 분리된 고리들로 되어 있다. 고리들 사이에는 틈들이 다양하게 존재한다. 가장 주목할만한 틈은 카시니 틈(Cassini [kah-SEE-nee] Division)으로 A와 B고리를 갈라 놓고 있다. 이 틈은 1675년, 카시니(Giovanni Cassini)에 의해서 발견되었다. A고리를 갈라놓고 있는 엔케 틈(Encke [EN-kee] Division)은 1837년, 이를 발견한 엔케(Johann Encke)의 이름을 붙인 것이다. 우주 조사선에 의해 주된 고리들은 매우 많은 수의 좁은 고리들로 나누어졌다는 것이 밝혀졌다. 고리들의 기원은 확실치 않다. 다만 커다란 위성이 혜성이나 운석의 충돌에의해 파괴되어 생긴 것이 아닌가 하고 생각되고 있다. 고리의 물질 조성은 뚜렷하게 밝혀지지는 않았으나, 고려할만한 수준의 물이 있음을 보여주고 있다. 이들 물은 아마도 수 센티미터에서 수 미터에 이르는 얼음 덩어리나 눈뭉치로 되어 있으리라 본다. 몇몇 고리에서 보이는 애쓴듯한 구조 대부분은 가까이 있는 위성의 중력 효과에 기인한 것이다. 두개의 달들이 양떼를 몰고 가듯이 고리의 물질들에 작용을 미치고 있는 F고리는 그 좋은 본보기가 된다. 넓은 B고리에서 발견되는 바퀴살 모습은 보이저가 발견한 것이다. 이 모습은 미세한 먼지 수준의 입자들로 만들어졌다고 믿어진다. 바퀴살 모양이 형성되고 사라지는 모습이 시간차를 두고 보이저가 찍은 사진에서 관찰된다. 정전기적 대전 현상이 먼지 입자들을 고리의 위로 띄워 바퀴살을 형성할 수도 있으나, 정확한 형성 과정은 현재로서는 확실하게 밝혀져 있지 않다. 토성은 태양계의 어떤 다른 행성보다도 많은 수의 위성을 갖고 있는데, 현재 18개의 위성이 확인되고 있다. 1995년, 과학자들은 허블 우주 망원경을 사용하여 토성의 새로운 달로 보이는 4개의 물체를 찾아 내었다.

소개(Introduction)

 

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특   징

질량 (kg) 5.688e+26 질량 (지구 = 1) 9.5181e+01 적도 반경 (km) 60,268 저도 반경 (지구 = 1) 9.4494e+00 평균 밀도 (gm/cm^3) 0.69 태양으로부터의 평균 거리 (km) 1,429,400,000 태양으로부터의 평균 거리 (지구 = 1) 9.5388 자전 주기 (시간) 10.233 공전 주기 (년) 29.458 평균 공전 속도 (km/sec) 9.67 궤도 이심률 0.0560 자전축의 경사 (도) 25.33 궤도면의 경사 (도) 2.488 적도 표면 중력 (m/sec^2) 9.05 적도 탈출 속도 (km/sec) 35.49 알베도(Visual geometric albedo) 0.47 발기 등급 (Vo) 0.67 평균 구름 온도 -125°C 대기압 (bars) 1.4 대기의 조성 수소 헬륨   97% 3%

 

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신화와 전설

신화에서 토성은 목성의 아버지이다. 목성은 영어로 주피터, 로마신화에서는 유피테르, 그리스신화에서는 제우스이고 토성은 영어로 새턴, 로마신화에서는 사투루누스, 그리스신화에서는 크로노스로 제우스의 아버지이다. 그리스신화의 크로노스는 우라노스와 가이아의 아들로 타이탄족에 속한다. 태초에, 혼동 속에서 최초로 왕이 된 천공(天空) 우라노스가 그의 어머니인 대지(大地) 가이아와 결혼하여 타이탄족인 괴물들을 낳았으나, 우라노스는 이 이상한 형태의 자식들을 싫어해서 낳자마자 곧 가이아의 태(胎)속으로 돌려보내 버렸다. 화가 난 가이아는 아다마스라는 금속으로 큰 낫을 만들고, 막내 크로노스에게 우라노스의 성기를 잘라 버리게 했다. 거세된 아버지를 대신하여 왕위에 오른 크로노스는 여동생인 레아와 결혼해서, 화덕의 여신이며 처녀신인 헤스티아를 낳았다. 다시 풍요와 농업의 여신 데메테르, 막내아들 제우스의 아내이자 올림푸스의 여왕의 자리에 오르는 헤라, 저승의 왕이 된 하데스, 바다의 왕이 된 포세이돈이 차례로 탄생하였다. 그러나, 자기 자식에게 왕위를 빼앗길 것이라는 아버지 우라노스의 저주를 두려워하여 자식들을 낳자 마다 바로 잡아먹었다. 차례로 자식을 잃은 레아는 막내아들 제우스만이라도 살리기 위해 제우스와 돌을 바꿔 대신 삼키게 하고 제우스를 크레타섬에 숨겼다. 제우스는 성장하여 크로노스와 전쟁을 벌여 승리하였는데 목성에서 이미 언급하였다. 로마신화에서는 농업의 신으로 추앙받았다. 올림푸스에서 쫓겨난 사투루누스(크로노스)는 이탈리아로 건너와 사투르니아라는 도시를 건설하였다고 한다. 그의 아들 피쿠스는 로마 왕가의 시조가 되었다. 사투루누스는 이탈리아에 농사짓는 방법을 전수하였으며 그의 치세에 이탈리아는 황금시대였다고 전해진다.

 

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고   리

토성의 가장 큰 특징은 웅장한 고리이다. 고리를 망원경으로 보면 한 개의 판으로 보이지만 사실은 수많은 미세입자들이 모여 있는 것이다. 이들 입자의 정체는 먼지와 암석이 섞인 얼음이다. 입자의 크기는 마이크로미터 규모에서 수십 m 까지 다양하다. 고리는 반사율이 높아 지구에서도 고리가 잘 보인다. 토성의 고리는 A고리, B고리, C고리, D고리, E고리, F고리, G고리로 구성되어 있으며 각각의 고리는 더욱 가는 고리로 되어 있다. 고리의 두께는 평균 150m이고 E고리는 토성 반지름의 5배나 된다. 1610년 갈릴레이는 A고리, B고리를 발견하였으나 위성으로 착각하였다. 그 뒤 1655년 호이겐스가 위성이 아니라 고리라는 사실을 발견하였다. 1675년 카시니는 토성의 A고리와 B고리 사이에서 빈 틈을 발견하여 카시니 공극이라고 부르게 되었다. A고리는 엥케 간극이라고 부르는 틈이 존재한다. 토성의 고리. 1000개 이상의 가는 고리로 이루어져 있다. 간극이 생기는 원인은 토성의 위성 때문이다. 카시니 간극에 있는 입자의 공전주기는 토성의 위성 미마스의 공전 주기의 절반이다. 입자가 2회 공전할 때마다 반드시 미마스에서 강한 인력을 받게 된다. 그래서, 이곳에 틈이 생긴다. 한 장의 판으로 보이는 고리는 실제로는 1000개 이상의 가는 고리가 모여 이루어진 것이다. 이 정도로 가는 고리를 만들기 위해서는 위성만으로는 설명할 수 없다. 그래서, 고리 안에 있는 큰 입자가 다른 고리 입자에 영향을 미치는 것 같다. 고리의 생성원인에 대해 아직 밝혀지지 않았다. 생성원인에는 여러 가지 설이 있다. 하나는 과거에 존재한 위성 또는 다른 곳에서 날아온 혜성이나 소행성이 토성 반지름의 2.44배 거리 안쪽으로 들어오면 조석력으로 파괴된다. 그 결과 부서진 파편이 고리가 되었다는 설이다. 그러나, 2.44배 바깥 부분에도 고리가 퍼져 있다. 그래서, 다른 이론에서는 토성 부근에 있던 천체끼리 충돌하였거나 토성 본체가 형성될 때 물질이 위성으로 뭉쳐지지 못하고 그대로 남은 것으로 추정하고 있다. 아래 표의 거리는 토성 중심에서의 거리이다.

이름 거리* 폭 두께 질량 알베도  D 67,000 km 7,500 km ? ? ?  C 74,500 km 17,500 km ? 1.1x10^18 kg 0.25    맥스웰 틈(Maxwell Gap) 87,500 km 270 km        B 92,000 km 25,500 km 0.1-1 km 2.8x10^19 kg 0.65    카시니 틈(Cassini Div) 117,500 km 4,700 km ? 5.7x10^17 kg 0.30  A 122,200 km 14,600 km 0.1-1 km 6.2x10^18 kg 0.60    엔케 틈(Encke gap) 133,570 km 325 km          켈러 틈(Keeler gap) 136,530 km 35 km        F 140,210 km 30-500 km ? ? ?  G 165,800 km 8,000 km 100-1000 km 6-23x10^6 kg ?  E 180,000 km 300,000 km 1,000 km ? ?

 

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탐   사

파이어니어 11호 파이어니어 11호는 처음으로 토성을 관측한 탐사기로 1979년 9월 토성에서 34,000km 지점을 통과하면서 토성과 토성의 고리 사진을 전송하였다.   보이저 1호, 2호 보이저 1호는 1980년 11월 11일에 토성의 가장 큰 위성인 타이탄으로부터 4030km 되는 지점을 통과하면서, 관측을 실시하였다. 그래서, 타이탄의 대기가 질소로 이루어져 있음을 발견하였다. 그리고, 토성 고리의 미세 구조와 고리 안에 어두운 선이 방사상으로 뻗어 있다는 사실도 밝혀냈다. 보이저호는 새로운 위성을 차례로 발견하는 성과도 거두었다. 그러나, 보이저 탐사기는 토성을 지나가면서 관측하였기 때문에 토성을 좀 더 자세히 관측하기 위해서는 토성의 주위를 선회하면서 장기간에 걸쳐 관측할 필요성이 있었다.   보이저 1호가 찍은 토성의 모습 카시니 계획 1997년 10월 15일 토성 탐사기 카시니가 발사되었다. 카시니는 금성에서 2회, 지구와 목성에서 각각 1회씩 중력을 이용하여 가속하고 2004년 6월에 토성에 도착한다. 카시니는 NASA와 ESA(유럽 우주 기구)와 공동으로 추진하는 계획으로 선회위성은 NASA에서, 위성 타이탄에 착륙하는 프로브 '호이겐스'는 ESA가 담당한다. 선회위성에는 사진기, 적외선 분광계, 자기력계 등 12가지 관측기기가 실려 있다.   타이탄에 착륙하는 호이겐스의 상상도 카시니 탐사기는 고도 2만 km에서 토성을 선회하면서 관측할 예정이다. 카시니 탐사기에 부착된 호이겐스는 카시니가 토성의 궤도에 들어서고 나서 수 개월 후에 떨어져 나가 타이탄의 대기 속으로 낙하하도록 되어 있다. 타이탄 표면에 대해서는 전혀 알려지지 않았다. 타이탄 표면은 메탄이나 에탄의 바다로 되어 있고, 거기에는 대륙이나 섬이 있을 것으로 생각하고 있다. 그러므로, 호이겐스는 바다에 떨어져도 작동할 수 있도록 설계되어 있다.