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목성의 대적점과 자기권, 공전과 자전

by blueoceanforest 2024. 6. 15.
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대적점과 그 외 소용돌이
목성의 가장 유명한 특징은 대적점입니다. 대적점은 오랫동안 유지되고 있는 고기압성 폭풍으로, 적도를 기준으로 남위 22˚에 위치해 있으며 지구보다 더 큽니다. 대적점은 최소한 1831년, 또는 1665년 이후부터 존재해 왔습니다. 허블 우주 망원경이 여러 차례 촬영한 사진에서는 대적점과 인접해 있는 두 개의 "적점"(red spot)이 드러나기도 했습니다. 대적점은 12 cm 이상 구경의 지상 망원경을 통해서 볼 수 있을 만큼 큽니다. 여러 수학적 모형들은 이 폭풍은 안정적으로 목성의 영구적인 특징일 것이라고 시사합니다.

달걀형의 폭풍인 대적점은 약 6일 주기로 반시계방향으로 회전합니다. 대적점의 크기는 24~40,000 km × 12~14,000 km로, 지구를 둘 또는 세 개나 품을 수 있을 정도입니다. 이 폭풍의 최대 고도는 주변의 구름 꼭대기에 대해서 약 8 km입니다.

대적점과 같은 폭풍들은 거대행성의 난류성 대기에서 흔히 발생합니다. 목성 또한 이름이 붙여지지 않을 정도로 작은 갈색 및 백색의 폭풍들을 가지고 있습니다. 백색 폭풍은 상대적으로 차가운 상층부 대기의 구름을 포함하는 경향이 있으며, 갈색 폭풍은 따뜻한 "보통의 구름층"에 위치해 있습니다. 이러한 폭풍들은 수 시간정도로 짧게 지속되거나 수 세기까지 지속될 수 있습니다.

보이저의 탐사로 대적점이 하나의 폭풍이었다는 것이 알려지기 전에도, 대적점이 다른 부분의 대기에 대해 다른 방향으로 회전하고 때때로 빠르거나 더 느리게 회전함으로써 행성의 표면의 어떠한 깊은 특징과 연관되지 않았다는 강력한 증거가 있었습니다.

2000년에 목성의 남반구에서 발생한 대기 현상은 대적점의 외양과 비슷하나 그보다 더 작은데, 세 개의 작은 백색 달걀형 폭풍들(1938년에 처음으로 관측됨)이 병합하면서 더 크게 만들어진 것입니다. 이 폭풍은 오벌 BA라 명명되고, 주니어 적점(Red Spot Junior)이라는 별명이 붙여졌습니다. 오벌 BA는 색의 강도가 증가한 이후로 색깔이 백색에서 적색으로 변화하였습니다.


목성의 오로라

 

자기권
목성의 자기장은 적도에서 4.2 가우스(0.42 mT), 극에서 10~14 가우스(1.0 1.4 mT)에 이르기 때문에 지구의 자기장보다 14 배나 강하며, 태양계에서 흑점을 제외하고 가장 강력합니다. 이러한 자기장은 액상 금속성 수소핵 속 물질들의 소용돌이 운동으로 인한 맴돌이 전류에 의해 발생하는 것으로 여겨집니다. 목성의 위성인 이오의 화산활동으로 대량의 이산화황이 방출되면서 위성의 궤도를 따라 기체 토러스가 만들어지는데, 이 기체는 목성의 자기권에서 이온화되어 황이온과 산소이온이 됩니다. 이들은 목성의 대기에서 기원한 수소이온과 함께 목성의 적도면에 플라스마판(plasma sheet)을 형성합니다. 판 속의 플라스마는 목성에 대해 반대로 회전하기 때문에 쌍극자 자기장을 자기 원반의 자기장으로 변형시킵니다. 플라스마판 속의 전자는 강력한 전파를 방출하여 0.6~30 MHz 범위에서 폭발을 일으킵니다.

목성의 중심으로부터 약 75 목성반경 지점에서 자기권과 태양풍의 상호작용으로 활꼴 충격파가 발생합니다. 목성의 자기권 주변은 자기권 외피층(자기권과 활꼴 충격파 사이의 영역)의 안쪽 가장자리에 위치해 있는 자기권계면으로 덮혀있습니다. 이 영역과 태양풍이 상호작용하면서 목성의 태양 반대편 자기권은 길게 늘여지게 되는데, 거의 토성의 궤도에 이를 정도로 길게 뻗습니다. 목성의 가장 큰 네 위성은 모두 목성의 자기권 속을 공전하기 때문에 태양풍으로부터 안전합니다.

목성의 자기권은 행성의 극지역에서 여러차례 발생하는 강렬한 전파 방출의 원인입니다. 위성 이오의 화산활동(아래 참고)으로 인해 기체가 목성의 자기권으로 분출되어 행성 주변에 입자 토러스를 형성합니다. 이오가 이 토러스 속을 움직이면서 알펜파를 일으키는데, 이 때문에 이온화된 물질이 목성의 극지역으로 이송됩니다. 이러한 결과로 사이클로트론 메이저 기작을 통해 전파가 발생하며, 그 에너지는 원뿔형 표면을 따라 전송됩니다. 지구가 이 원뿔과 상호작용할 때, 목성의 전파 방출은 태양의 전파 방출량을 넘어서기도 합니다.

공전 및 자전
목성은 태양과의 무게중심이 태양의 체적 바깥에 위치한 유일한 행성으로, 그 무게중심은 태양 표면으로부터 태양 반지름의 7% 밖에 위치합니다. 목성과 태양 사이의 평균 거리는 7억 7,800만 km(지구와 태양 사이의 평균 거리의 5.2배, 즉 5.2 AU)이며 11.86년마다 한 번씩 공전을 완주합니다. 이 주기는 토성의 공전주기의 2/5배로, 즉 태양계에서 가장 큰 두 행성은 5:2 궤도공명을 이루고 있습니다. 목성의 타원궤도는 지구에 대해 1.31˚ 기울어져 있습니다. 0.048의 궤도이심률 때문에 태양에 대한 목성의 거리는 가장 가까운 지점(근일점)에서부터 가장 먼 지점(원일점)까지 약 7,500만 킬로미터 차이 납니다.

목성의 자전축 경사는 약 3.13˚로 상대적으로 작습니다. 때문에 목성은 지구나 화성에 비해 큰 계절적 변화를 겪지 않습니다.

목성의 자전은 10시간 이내로 한바퀴를 완주할 만큼 태양계의 모든 행성 중에서 가장 빠릅니다. 이러한 자전으로 인해서 목성은 지상의 아마추어 망원경을 통해서 쉽게 확인할 수 있을 정도의 적도 팽대부가 만들어집니다. 행성의 모양은 극지름보다 적도지름이 더 큰 편구 모양입니다. 목성의 적도지름은 극지름보다 9,275 km(5,763 mi) 더 깁니다.

목성은 고체가 아니기 때문에 행성의 상층부 대기는 차등회전을 겪습니다. 목성의 극 대기의 자전은 적도 대기의 자전보다 주기가 5분 더 깁니다. 그래서 특히 대기 현상의 운동을 도표화하기 위해서 세 가지 계가 기준 좌표계로 사용됩니다. 제일회전계(System I)는 북위 10˚에서 남위 10˚까지 적용됩니다. 제일회전계의 자전주기는 9시간 50분 30초로 목성에서 가장 짧습니다. 제이회전계(System II)는 그 외의 모든 위도에서 적용되는데, 자전주기는 9시 55분 40.6초입니다. 제삼회전계(System III)는 전파천문학자들이 처음으로 밝혀낸 것으로, 목성 자기권의 자전과 상관있습니다. 제삼회전계의 자전주기는 목성의 공식적인 자전주기로 쓰입니다.

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