f704 J-M 수리오: 태양계의 역학에 관하여 (p3)
...태양의 표면이 들려오고 있다. 따라서 조수 효과가 존재하며, 이로 인해 소산 과정이 발생한다. 그 결과 궤도가 마모되고, 조수 효과로 인해 완전히 원형화된 행성의 궤도조차도 나선형이 되어 태양 쪽으로 수렴하여 결국 태양과 융합될 수 있다. 다만 이 현상의 특성 시간은 매우 길어 지금까지는 정확히 측정되지 않았다.
...반면에, 태양 주위를 공전하는 천체와 에너지를 더 이상 교환하지 않는, 금률(황금비) 법칙을 따르는 집합체가 존재한다고 생각된다. 그 예로는 소행성대와 거대 행성들(토성, 우라누스 등 주로)의 고리가 있다. 이러한 고리는 중심 천체에 조수 효과를 일으키지 않는다. 다만 토성의 고리는 일부 위성들이 고리에 미치는 영향을 통해 간접적으로 영향을 받는다. 토성 고리의 구성 요소는 얼음 블록들로, 서로에 비해 자체 운동이 거의 없다. 만약 이 자체 운동이 크다면, 그들은 단지 두 차원에서만 움직일 수 없을 것이다. 따라서 토성 고리는 두꺼워졌을 것이다. 게다가 블록들 사이의 충돌로 인해 우리는 위성처럼 지구를 덮는 운석 폭우를 맞게 될 것이며, 그 결과 지구는 생명체가 살 수 없는 상태가 될 것이다.
비극적 가정의 부록.
...토성 고리의 얼음 블록 크기는 정확히 알려져 있지 않지만, 일부는 스무 킬로미터에 이르는 크기일 수 있다. 이 크기의 블록은 산과 비슷한 크기이며, 초당 수십 킬로미터의 속도로 지구 대기에 떨어지면, 지구를 한 바퀴 도는 충격파를 만들어낼 것이다. 블록이 녹기 시작하기 전에 이미 충격파는 지구를 둘러싼다.
그림 11: 운석이 지구 대기로 침입하는 과정.
...지표면에 충돌할 때, 블록은 조각으로 분해된다. 수백만 톤의 지구 토양이나 암석도 미세한 먼지로 변한다. 입사하는 충격파는 반사된다. 그 뒤에는 고온의 뜨거운 공기 방울이 남는다. 입사하는 충격파는 원심 방향으로 수평으로 퍼지며, 그 경로를 완전히 파괴한다. 그러나 가장 중요한 것은 "지연 효과"이다. 이 뜨거운 공기는 더 가벼워져 상승하며, 마이크로 크기의 수백만 톤의 먼지를 띄워 올린다. 이 먼지는 낮은 낙하 속도로 인해 성층권에 1~2년 정도 머물 수 있다. 이 먼지 층은 태양 복사선을 차단한다.
그림 12: 운석의 밤.
...장경 방향으로 먼저 퍼진 후, 온도 저하와 광합성 정지로 인해 위성 방향으로 퍼지는 이 차단층은 동물과 식물 모두에게 살아 있는 생명체의 대다수를 죽게 만든다.
...우리 행성과 운석 충돌의 객체는 크기와 정도에 따라 달라진다. 이전 세기 초에는 시베리아 투링카이아 지역에 운석이 떨어졌다. 증거: 빛나는 빛, 천둥 소리. 현장에서는 외계 물질의 조각은 없었지만, 나무들이 이렇게 넘어져 있었다:
그림 13 (p019): 투링카이아 현장의 나무들. .
...중앙에 나무들이 그대로 서 있는 것은, 물체 자체의 충돌이 아니라, 이미 분해된 조각들 앞서 지표면에 도달한 충격파의 작용을 나타낸다.
...히로시마에서 일어난 현상과 유사하다. 지표면에 피해를 준 것은 조각이 아니라, 충격파였다. 따라서 충격파가 수직으로 작용한 충격 지점 바로 근처에 위치한 건물은 그대로 서 있었지만, 인근 건물들은 모두 넘어졌다.
...투링카이아 현장에서 충격 지점 바로 근처에 있던 편백나무들이 그대로 서 있었다면, 그들은 통과할 때 완전히 '벗겨졌을' 것이다.
...운석에 대해 이야기할 때 종종 '더러운 눈'이라는 표현을 쓴다. 실제로 얼음처럼 결정화된 이 물질이 압력에 의해 단단한 얼음이 되었을 가능성은 없다. 운석은 작은 천체이므로, 점착력과 중력이 매우 약하다. 따라서 지구에 도달할 때는 아마도 산처럼 큰 크기의 눈덩이로, 초당 수십 킬로미터의 낙하 속도를 가질 것이다. 그러나 이로 인해 강력한 충격파가 생기며, 이는 공기의 급격한 가열을 의미한다. 특히 입사 후 반사된 후에는 운석의 운동 에너지가 모두 열에너지로 변환된다. 물체 자체는 단단한 구조를 가지지 않지만, 해로운 것은 그 에너지로, 이는 과압과 열충격을 의미한다. 밀도 높은 대기에 들어가면서 운석은 자신의 충격파를 생성한다. 공기와의 충돌이 충분히 강할 경우, 운석이 대기에 접촉하는 순간은 폭발과 동일하다. 투링카이아에서 발생한 충격파로 인한 피해 이후, 그 후의 상황은 마치 우박비와 비슷했을 것이다.
이 비극적 가정의 부록 종료.
토성 고리는 완전히 '완화된' 하위 시스템의 예라고 보인다.
...반면, 매우 공진 상태인 해왕성-플루토의 하위 시스템은 소산 구조이다.
...따라서 태양계는 완화된 하위 집합과 그렇지 않은 하위 집합을 포함하는 복합 시스템이다. 공진하는 하위 시스템은 벤아르드의 소용돌이나 바움카르만의 소용돌이와 유사한 자체 안정성을 가진다.
...개인적으로 나는 태양계가 전체적으로 최대한의 완화 상태를 향해 추세를 보일 것이라 생각한다. 즉, 모든 구성 요소가 전역적인 금률(행성) 또는 국지적인 금률(토성과 목성의 위성)을 따르게 될 것이다. 수리오는 이 가설이 수치 시뮬레이션을 통해 확인되어야 한다고 덧붙이며, 우리는 이 작업을 수행할 것이다.
여기서 내 아내 클레어의 아이디어가 등장한다. 그녀는 오랫동안 태양계 문제에 깊이 흥미를 느끼고 있으며 다음과 같이 말한다:
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태양계 내부에 금률을 따르는 완화된 하위 집합과 공진 상태의 하위 집합(소산 구조와 유사)이 존재한다면, 그 이유는 알려지지 않은 원인의 교란이 있었기 때문일 것이다. 그렇지 않다면 태양계는 거의 완화된 상태에 있었을 것이며, 다음과 같은 이상 현상이 거의 없었을 것이다:
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지구가 '비공진' 궤도에 있는 것
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화성과 목성 사이에 소행성대 존재
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수성 궤도의 상대적으로 높은 이심률
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목성 주위에 고리가 거의 없는 것(토성과 우라누스는 고리가 있음)
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지구 내부에 금속 핵이 존재하고, 강한 지각 활동이 있다는 것
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플루토 궤도의 경사각(18도)과 우라누스 자전축의 경사각(약 90도)의 존재
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토성과 목성의 일부 위성들이 금률과 크게 벗어난 것
...따라서 태양계는 이전에 더 '안정된' 상태를 경험했을 수 있으며, 중요한 사건에 의해 방해받았을 것이다. 더 구체적으로, 클레어는 교란이 태양계가 형성 중인 초기 단계에서 발생했을 것이라 생각한다. 이 시기에는 별들이 '안정화 중'이었으며(궤도의 원형화 경향, 황도면 형성), 일부 요소들은 그 현상의 지역적 흔적을 보존하고 있다(이상 현상).
...몇 년 전, 쇤마커-레비의 운석이 목성에 충돌했다. 중요한 점은, 이 충돌은 위성에 의해 기록되었는데, 충돌은 목성의 반대편에서 일어났다. 충돌 전에 조수 효과로 인해 운석은 조각으로 나뉘었다. 이 사실은 이후 수리오가 최근 제안한 가설을 뒷받침할 수 있다.
...목성은 표면에 거대한 붉은 반점이 있다. 이 반점의 이미지를 보면 매우 높은 혼탁도를 보이므로, 천문학자들은 이 것이 지구의 대기 현상보다 훨씬 오래 지속되는 사이클론 현상일 수 있다고 추측한다. 목성은 중심부에 단단한 물질(일부는 금속 수소라고 추측), 그 주위에 액체(자신만의 해양처럼 지구를 덮고 있음), 그리고 두꺼운 대기를 가진 행성이다. 토성과 우라누스도 같은 구조를 가진 거대 행성이다. 나는 개인적으로 붉은 반점이 목성 대기의 물질보다 가벼운 물체의 충돌 흔적일 수 있다고 생각한다. 이 물체는 대기 표면에 떠 있을 수 있다.
...그러나 여전히 한 가지 문제는 남아 있다. 왜 지구는 다른 행성들보다 밀도가 상당히 높은가? 이는 지구가 금속 핵을 가지고 있음을 시사한다.