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솔직히 처음 화성 테라포밍 이야기를 들었을 때, 저는 "그게 되겠어?" 하고 반쯤 웃으며 넘겼습니다. 그런데 자료를 파고들수록 생각이 달라졌습니다. 화성에는 전 표면을 10m 깊이로 덮을 만큼의 얼음이 있고, 하루 길이도 지구와 단 36분밖에 차이 나지 않습니다. 가깝고도 먼 행성, 화성이 왜 수천 년 전부터 인류를 사로잡았는지, 그리고 지금 우리가 직면한 테라포밍의 현실은 무엇인지 정리해 봤습니다.
화성이 특별하게 보인 이유 — 역행현상부터 운하 소동까지
화성을 처음 진지하게 들여다본 건 제가 어릴 때 읽은 칼 세이건의 『코스모스』 때문이었습니다. 바이킹 탐사선이 보내온 붉은 표면 사진이 책 한 켠에 실려 있었는데, 그 황량한 풍경이 묘하게 머릿속에 박혔습니다. 왜 그렇게 사람들이 화성에 꽂혔는지는, 역사를 조금만 따라가 보면 금방 이해가 됩니다.
고대 수메르 문명은 화성을 전염병과 전쟁의 신 '네르갈'이라 불렀고, 로마는 전쟁의 신 '마르스(Mars)'의 이름을 붙였습니다. 오늘날 영어 명칭 Mars가 거기서 온 것이죠. 동양에서는 붉은 빛깔 때문에 '불의 별', 즉 화성(火星)이라 이름 붙였습니다. 이렇게 문명마다 화성을 주목한 데에는 한 가지 공통된 이유가 있습니다. 바로 행성의 역행 현상입니다.
역행 현상이란 평소 서쪽에서 동쪽으로 움직이던 행성이 어느 순간 반대 방향, 즉 동쪽에서 서쪽으로 거꾸로 이동하는 것처럼 보이는 현상을 말합니다. 실제로 행성이 방향을 바꾸는 것이 아니라, 지구와 화성의 공전 속도 차이 때문에 생기는 착시입니다. 이 현상을 화성에서 처음 기록한 것이 기원전 1500년 이집트 문헌에 남아 있을 정도이니, 화성은 그야말로 인류 최초의 '관찰 대상' 중 하나였던 셈입니다(출처: NASA NSSDC).
여기서 케플러 이야기를 빼놓을 수 없습니다. 케플러는 스승 티코 브라헤의 관측 데이터를 분석하다가, 화성의 궤도를 원으로 가정하면 데이터가 도저히 맞지 않는다는 것을 발견합니다. 그 결과 나온 것이 바로 케플러 제1법칙, "모든 행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 따라 공전한다"입니다. 화성이 없었다면 타원 궤도 발견도 한참 늦었을 것입니다.
19세기 후반에는 황당한 소동도 있었습니다. 이탈리아 천문학자 스키아파렐리가 화성 표면의 홈 같은 구조를 이탈리아어로 '카날리(canali, 홈·틈)'라고 불렀는데, 이것이 영어로 번역되는 과정에서 '캐널(canal, 운하)'이 되어버렸습니다. 이 오역 하나가 "화성에 운하를 판 지적 생명체가 있다"는 믿음으로 번졌고, 퍼시벌 로웰이라는 천문학자는 확증 편향에 사로잡혀 수십 개의 운하를 직접 그린 화성 지도까지 만들었습니다. 없는 것을 봤다는 게 어이없기도 하면서, 한편으론 인간이 얼마나 보고 싶은 것을 보는지를 잘 보여주는 사례라고 생각합니다.
지금의 화성은 왜 이렇게 척박한가 — 대기압과 자기장의 붕괴
화성이 지구와 닮은 점은 꽤 많습니다. 자전 주기가 24.6시간으로 지구(24시간)와 거의 같고, 극지방에 얼음이 있으며, 계절 변화에 따라 극관의 크기가 늘었다 줄었다 합니다. 제가 처음 이 사실을 접했을 때 솔직히 꽤 놀랐습니다. 하루 길이가 이렇게 비슷하다는 게 그냥 우연처럼 느껴지지 않았거든요.
그런데 현재의 화성은 생명이 살기엔 지독하게 가혹한 환경입니다. 대기압이 지구의 0.6%에 불과하고, 대기의 96%가 이산화탄소(CO₂)로 이루어져 있습니다. 기온은 최저 영하 160도까지 내려갑니다. 왜 이렇게 됐을까요?
핵심은 두 가지, 약한 중력과 자기장의 소멸입니다. 화성의 표면 중력은 지구의 약 3분의 1 수준입니다. 중력이 약하면 대기를 구성하는 기체 분자들이 일정 속도 이상이 되는 순간 탈출 속도를 넘어 우주 공간으로 빠져나가 버립니다. 여기에 더해 태양풍이 문제입니다. 태양풍이란 태양에서 방출되는 고에너지 입자들의 흐름을 말하는데, 지구는 자기장이 이 입자들을 극역으로 유도해 대기를 보호합니다. 화성은 약 35억 년 전까지는 지구처럼 자기장이 있었지만, 지금은 사실상 사라진 상태입니다(출처: NASA Mars Exploration).
자기장이 사라진 이유는 물리학적으로 단순합니다. 화성의 반지름은 지구의 절반 수준입니다. 부피는 반지름의 세제곱에 비례하므로 지구의 약 8분의 1, 반면 열이 빠져나가는 표면적은 지구의 4분의 1입니다. 가진 에너지는 8분의 1인데 잃는 속도는 4분의 1이니, 화성의 내부는 지구보다 훨씬 빠르게 식을 수밖에 없었습니다. 내부가 식으면서 액체 외핵의 대류가 멈추고, 다이나모 효과가 사라졌습니다. 다이나모 효과란 액체 상태의 외핵이 회전하며 전자기 유도를 통해 자기장을 만들어내는 원리입니다. 이 연쇄 붕괴가 지금의 화성을 만들었습니다.
- 대기압: 지구의 0.6% — 액체 상태의 물이 표면에 존재할 수 없는 수준
- 자기장 소멸: 태양풍이 대기 분자를 우주로 직접 밀어내는 상황
- 극저온: 최저 영하 160도, 평균도 영하 60도 안팎
- 대기 조성: 이산화탄소 96%, 산소는 0.13%에 불과
화성 테라포밍은 가능한가 — 라그랑주점 자기장 방패 아이디어까지
테라포밍(Terraforming)이란 다른 행성의 환경을 인간이 살 수 있도록 지구화하는 것을 의미합니다. 제가 이 개념을 처음 접했을 때는 SF 소설의 영역이라고만 생각했는데, 실제로 물리학과 행성과학 쪽에서 꽤 진지하게 논의되고 있다는 걸 알고 놀랐습니다. 물론 그 결론이 낙관적이지는 않습니다.
가장 먼저 필요한 건 액체 상태의 물입니다. 흥미로운 사실은, 화성의 극지 얼음을 전부 녹이면 화성 전체 표면을 약 10m 깊이로 덮을 만큼의 물이 나온다는 추정이 있다는 것입니다. 물 자체의 양은 생각보다 충분합니다. 문제는 녹인다고 해도 낮은 대기압 때문에 표면의 물이 순식간에 기화해 버린다는 점입니다. 물을 만들기 전에 대기압부터 높여야 합니다.
그런데 대기압을 높이는 것도 쉽지 않습니다. 지구에서 1기압이 유지되는 건 두터운 대기층이 중력에 눌려 있기 때문인데, 화성은 중력이 약해 같은 1기압을 만들려면 지구보다 2.6배나 두꺼운 대기층이 필요하다는 추정이 있습니다. 여기에 온실가스도 공급해야 화성의 온도를 생명 가능한 범위로 끌어올릴 수 있습니다. 일부에서는 암모니아나 메탄이 풍부한 소행성이나 혜성을 화성에 충돌시키자는 아이디어도 나옵니다. 저는 솔직히 이 제안들을 읽으면서 "이건 SF 소설 수준이 아닌가" 싶었습니다.
그 중에서 가장 실현 가능성 있는 아이디어라고 제가 인상 깊게 봤던 것은 라그랑주점 자기장 방패 개념입니다. 라그랑주점(Lagrange Point)이란 두 천체(여기서는 태양과 화성) 사이에서 두 중력이 정확히 균형을 이루는 지점을 말합니다. 태양과 화성 사이의 L1 라그랑주점에 거대한 자석을 배치하면, 화성에 직접 자기장을 만들지 않아도 태양풍을 구성하는 전하 입자들을 화성에 닿기 전에 편향시킬 수 있다는 아이디어입니다. 행성 전체를 감쌀 자기장을 만드는 것보다 훨씬 현실적인 규모라는 점에서, 여러 아이디어 중 제 눈에 제일 그럴듯하게 보였습니다.
그러나 이 모든 논의의 전제가 되는 근본 문제는 해결되지 않습니다. 엄청난 규모의 예산과 기술, 그리고 수백 년 이상의 시간이 필요합니다. 일론 머스크가 제안한 화성 극지 핵폭탄 폭발 아이디어는 현실성도 없거니와, 설령 가능하다 해도 해서는 안 된다고 저는 생각합니다. 테라포밍에 들어갈 그 자원과 노력을 지구 환경 문제 해결에 쏟는 편이 훨씬 합리적입니다.
자주 묻는 질문
Q. 화성에 정말 물이 있나요? 얼마나 되나요?
A. 있습니다. 화성의 극지에는 물과 이산화탄소 얼음이 혼합된 극관이 존재하며, 이 얼음을 모두 녹일 경우 화성 전체 표면을 약 10m 깊이로 덮을 수 있는 양으로 추정됩니다. 다만 현재의 낮은 대기압 조건에서는 표면에 액체 상태로 유지될 수 없어 생명 유지에는 활용하기 어렵습니다.
Q. 화성의 하루는 지구랑 얼마나 다른가요?
A. 화성의 자전 주기는 약 24.6시간으로, 지구의 24시간과 불과 36분 차이입니다. 행성 중 이렇게 자전 주기가 비슷한 경우는 흔치 않아, 화성이 지구와 닮은 행성이라는 인식을 심어준 요인 중 하나입니다.
Q. 화성에 자기장이 없는 이유가 뭔가요?
A. 화성은 크기가 작아 내부가 지구보다 훨씬 빠르게 식었기 때문입니다. 자기장을 만드는 다이나모 효과는 액체 외핵의 대류에서 비롯되는데, 내부가 굳어버리면서 이 대류가 멈췄고 자기장도 함께 소멸했습니다. 약 35억 년 전까지는 화성에도 자기장이 있었던 것으로 과학자들은 추정합니다.
Q. 라그랑주점 자기장 방패 아이디어는 실제로 연구되고 있나요?
A. 이론적 수준에서 제안된 개념입니다. 태양과 화성 사이의 L1 라그랑주점에 전자기 장치를 배치해 태양풍의 전하 입자를 편향시키자는 아이디어로, 화성 전체에 자기장을 만드는 것보다 훨씬 작은 규모로 가능하다는 점이 주목받고 있습니다. 다만 현재 기술로는 실현 불가능한 먼 미래의 구상입니다.
Q. 케플러의 행성 운동 법칙이 화성과 무슨 관계가 있나요?
A. 케플러는 스승 티코 브라헤의 화성 관측 데이터를 분석하다가, 화성의 궤도가 원이 아닌 타원임을 발견했습니다. 이것이 케플러 제1법칙, 즉 "행성은 태양을 초점으로 하는 타원 궤도로 공전한다"의 시작점입니다. 화성이 아니었다면 타원 궤도 이론의 발견이 한참 늦어졌을 수도 있습니다.
결론
화성은 분명 매혹적인 행성입니다. 수천 년 전부터 인류의 시선을 끌었고, 케플러 법칙의 출발점이 됐으며, 지금도 여러 나라의 탐사선이 표면을 돌고 있습니다. 하루 길이나 계절 변화 같은 요소들은 화성이 지구와 얼마나 비슷한지를 실감하게 해줍니다.
하지만 테라포밍의 현실을 들여다보고 나서, 저는 생각이 정리됐습니다. 대기압, 자기장, 물이라는 세 가지 문제를 동시에 해결하는 것은 수백 년 이상의 시간과 상상하기 어려운 규모의 자원을 요구합니다. 그 에너지를 지구 환경 문제에 쏟는 편이 훨씬 합리적이라는 게 제 결론입니다. 화성은 계속 연구하고 탐사할 가치가 있지만, 지구를 포기할 이유는 어디에도 없습니다.