지구 대기는 정말 달 너머까지 뻗어 있을까? 외기권과 지구 코로나의 진실

네, 정말입니다. 지구 대기의 가장 바깥쪽 수소층인 ‘지구 코로나(geocorona)’까지 포함하면 지구 대기는 달 궤도 너머까지 이어집니다. 2019년에 발표된 연구는 이 수소층이 지구에서 약 63만 km 떨어진 거리에서도 검출된다는 사실을 보여줬습니다. 지구와 달의 평균 거리인 약 38만 4,400km보다 훨씬 먼 곳입니다.

그렇다고 달에서 공기를 마실 수 있는 것은 아닙니다. 그곳의 수소 원자는 워낙 드물어 사실상 진공에 가깝습니다. 이번 발견에서 중요한 것은 달에 숨 쉴 대기가 존재한다는 이야기가 아니라, 지구 대기의 바깥 경계가 우리가 생각하는 것처럼 선명하게 끊어지지 않는다는 점입니다.

지구 대기는 어디에서 끝나며, 지구 코로나란 무엇일까요?

해수면 부근에서는 엄청나게 많은 기체 분자가 서로 충돌하며 기압을 만들고 우리가 숨 쉴 공기를 이룹니다. 하지만 고도가 높아질수록 기체가 희박해집니다. 구름과 날씨가 나타나는 영역보다 훨씬 위에 있는 외기권(exosphere)에서는 입자들이 서로 거의 충돌하지 않고 멀리 이동할 수 있습니다. 모든 대기 원자가 한꺼번에 사라지는 단단한 천장은 없습니다.

그 먼 영역에서 중요한 성분 가운데 하나가 수소입니다. 지구 주변에 흩어져 있는 희박한 수소 원자들이 지구 코로나를 형성합니다. 영화 속처럼 밝게 빛나는 껍질이 아니라, 태양빛 가운데 특정한 자외선을 산란시키기 때문에 탐지할 수 있는 아주 희미한 구조입니다. 위 이미지는 수소가 점점 희박해지는 원리를 보이기 위한 개념도이며, 실제 우주비행사의 눈이나 카메라에 수소 알갱이가 그대로 보인다는 뜻은 아닙니다.

여기서 구분해야 할 것은 ‘측정할 수 있는 대기 입자’와 ‘사용할 수 있는 공기’입니다. 과학자들은 대부분의 인공위성이 도는 고도보다 훨씬 먼 곳에서도 지구와 관련된 수소 원자를 검출할 수 있습니다. 하지만 그것이 달에서 산소나 충분한 기압, 바람, 진공으로부터의 보호를 제공하는 것은 아닙니다. 이 영역을 넓은 의미의 대기라고 부르는 것은 과학적으로 타당하지만, 지구 주변 환경과 우주 공간을 실용적으로 구별할 필요까지 사라지는 것은 아닙니다.

또한 ‘우주의 시작’이라는 관습적인 고도 기준과 ‘지구에서 나온 마지막 대기 입자를 어디까지 검출할 수 있는가’는 서로 다른 질문입니다. 2019년 연구는 높은 밀도의 하층 대기가 달까지 퍼졌다는 주장이 아니라 매우 희박한 수소 외기권의 먼 범위를 다룹니다.

SOHO 탐사선은 어떻게 달보다 먼 수소를 찾아냈을까요?

핵심 증거는 ESA와 NASA가 공동으로 운용한 태양·태양권 관측소 SOHO에서 나왔습니다. 태양 관측으로 유명한 탐사선이지만, 탑재 장비인 SWAN(Solar Wind Anisotropies)은 지구 주변의 자외선 신호도 측정했습니다. SOHO는 지구에서 태양 방향으로 약 150만 km 떨어진 태양–지구 L1 부근에서 관측하므로, 지구 코로나를 넓은 시야로 살펴볼 수 있습니다.

연구진은 1996년, 1997년, 1998년 1월에 수집된 SWAN 관측자료를 다시 분석했습니다. 결과는 2019년 학술지 Journal of Geophysical Research: Space Physics에 발표됐습니다. 즉 2019년에 갑자기 찍힌 새로운 사진이 아니라, 20여 년 전 저장된 자료를 새롭게 해석한 연구입니다. 관측 시점과 논문 발표 시점을 구분하는 것이 정확합니다.

수소 원자는 라이먼 알파(Lyman-alpha)라고 부르는 특정 파장의 자외선을 흡수하고 산란시킵니다. SWAN의 수소 흡수 셀은 지구 주변 수소에서 온 신호와 더 먼 행성간 공간의 수소가 만드는 배경 신호를 구분하는 데 도움이 됐습니다. 흡수 셀을 켜고 끈 상태의 측정값을 비교하고 남은 배경을 보정하여, 연구진은 달 궤도보다 먼 곳까지 지구 기원의 수소 신호를 추적했습니다.

관측 신호는 지구 중심으로부터 약 100지구반경, 다시 말해 약 64만 km 정도까지 검출됐습니다. ESA는 이를 지구로부터 약 63만 km에 이르는 것으로 소개했습니다. 모두 대략적인 범위를 설명하는 수치이지, 대기가 칼로 잘린 것처럼 끝나는 정확한 경계는 아닙니다. 논문은 달 궤도에 가까운 약 60지구반경의 수소 밀도를 1cm³당 약 0.2개 원자로 추정했습니다.

이 수치야말로 가장 중요한 현실 확인입니다. 작은 각설탕 한 개 정도 크기의 공간에 수소 원자가 평균적으로 하나도 채 없는 수준입니다. 달에서 공기를 채집해 확인한 값도 아닙니다. 관측된 자외선 신호에서 배경을 제거하고 수소 분포를 재구성한 결과이므로, 먼 곳의 밀도와 형태에는 분석 방법과 모형의 영향을 받는 부분도 있습니다.

그렇다면 달은 정말 지구 대기 속을 돌고 있는 걸까요?

특별히 희박한 수소 외기권이라는 의미에서는 그렇습니다. 달은 실제로 조금 타원형 궤도를 따라 돌기 때문에 지구와의 거리가 변하지만, 관측된 지구 코로나의 범위는 일반적인 달 궤도보다 상당히 멉니다. 다만 이것은 극소수 원자의 존재에 관한 설명이지, 달을 평범한 공기층이 둘러싼다는 뜻은 아닙니다.

사람으로 비유하면 이해하기 쉽습니다. 한 경기장에는 수많은 관중이 있지만, 경기장 주변에서 멀어질수록 사람은 드물어집니다. 수십 km 떨어진 곳에서 관중 한 명을 발견했다고 해서 그 장소가 붐빈다고 표현할 수는 없습니다. 마찬가지로 대기 밀도는 고도가 올라갈수록 크게 줄어듭니다. 멀리 떨어진 수소 원자를 확인했다고 달이 지구와 비슷한 환경이 되는 것은 아닙니다.

따라서 우주복과 우주선 기압 유지 장치, 생명유지장치는 여전히 필수입니다. 달에는 숨 쉴 만한 대기가 없으며, 지구 코로나의 수소가 산소나 로켓 연료를 실용적인 양으로 제공하지도 못합니다. ESA에 따르면 이 추가 수소는 탐사에 도움이 될 만큼 많지 않고, 산란된 자외선이 달 주변 우주비행사에게 주는 영향도 태양에서 오는 방사선에 비하면 무시할 만한 수준입니다.

오히려 중요한 영향은 자외선 천문 관측에 있습니다. 지구나 달 주변에서 별과 은하를 관측하는 우주망원경은 지구 코로나에서 발생한 자외선이 관측 신호에 섞일 수 있음을 고려해야 합니다. 아울러 태양 복사압과 이온화가 높은 곳의 수소 입자 분포에 어떤 영향을 주는지 이해하는 데도 도움이 됩니다.

달에서는 오래전에 힌트도 얻었습니다. 1972년 아폴로 16호가 달에 설치한 자외선 망원경은 지구 코로나를 관측했습니다. 이후 SWAN 자료를 분석하면서 그 수소층이 얼마나 멀리 이어지는지 더 광범위한 근거를 확보한 것입니다. 태양 복사압과 이온화 때문에 구름의 모양도 영향을 받으므로, 이를 완벽한 구형 껍질로 생각해서는 안 됩니다. 위의 거리 비교 그림은 실제 자외선 관측 영상이 아닌 비축척 설명 그림입니다.

결론

지구 대기가 달보다 멀리까지 이어진다는 말은 지구 외기권의 매우 희박한 수소 코로나가 달 궤도 너머에서도 검출된다는 의미입니다. 여기서 다룬 핵심 근거는 1990년대에 수행된 SOHO 관측과 이를 다시 분석한 2019년 연구이며, 달에 새로운 공기 저장고가 발견됐다는 소식이 아닙니다.

핵심은 행성 대기가 하나의 뚜렷한 선에서 갑자기 끝나는 것이 아니라 점차 희박해진다는 사실입니다. 지구 수소층은 수십만 km 떨어진 곳에서도 측정할 수 있지만, 사람과 우주 탐사의 관점에서 달은 여전히 공기가 없는 세계입니다.

관련 자료

• ESA: Earth’s atmosphere stretches out to the Moon – and beyond
• Baliukin et al. (2019): SWAN/SOHO Lyman-α Mapping
• NASA SOHO: Earth’s atmosphere stretches out to the Moon -- and beyond
• NASA Science: Moon Facts