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2020년 미국항공우주국(NASA) 제트추진연구소와 하와이대 연구진은 인도 달 탐사선 찬드라얀 1호의 ‘달 광물 지도작성기(M3)’가 2009년에 보내온 데이터를 분석한 결과, 달의 극지 근처에서 적철석을 발견했다. 적철석은 철이 풍부한 광물이 물 또는 산소와 반응해 생긴, 이른바 녹슨 철 광물이다.
산소가 거의 없는 달의 암석에서 어떻게 녹이 생겨났을까? 과학자들은 지구를 향해 있는 달 앞면의 고위도 지역에 적철석이 몰려 있는 점을 들어 지구에서 날아온 산소가 원인일 수 있을 것으로 추정했다. 앞서 2017년 일본 우주항공연 1년 단기적금 구개발기구(JAXA)는 달 궤도 탐사선 가구야가 보내온 데이터에서 달 표면 100㎞ 상공에 지구 산소와 같은 유형의 산소 이온이 있다는 걸 확인한 바 있다.
과학자들의 추정에 힘을 실어주는 실험 결과가 나왔다. 중국 마카오과학기술대 연구진은 수소와 산소 이온을 고에너지로 가속한 지구바람(또는 지구풍)을 만들어 실험한 결과, 달 표면으로 날 중도금대출 아온 산소 입자가 달 광물을 녹슬게 할 수 있다는 사실을 발견해 국제학술지 ‘지구물리학 연구 서한’(Geophysical Research Letters)에 발표했다.
지구바람이란 지구 최상층 대기, 즉 전리층에서 우주공간으로 빠져가는 입자들의 흐름을 가리키는 말이다. 태양에서 고에너지 입자가 날아오는 걸 태양풍이라고 부르는 것과 같다. 지 2학기 국가장학금 구바람을 구성하는 입자들은 원자핵과 전자가 분리된 이온 상태의 입자, 즉 플라스마다.



태양풍의 영향으로 지구 자기장이 태양 반대편으로 긴 꼬리를 형성했다. 달이 이 꼬리에 들어가는 기간에 지구에서 날아온 산소가 달 표면에 닿아 적철석을 만든다. 위키미디어 코먼스
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태양풍 벗어나 지구풍 속으로
이 입자들은 극지방에서 형성된 자기장 중 일부 ‘열린 자기력선’을 따라 지구 쪽으로 돌아오지 않고 우주로 빠져나간다. 이유는 지구 자기장의 특성 때문이다. 지구 자기장은 둥그런 공 모양이 아니라 혜성처런 긴 꼬리 모양을 하고 있다. 태양풍의 영향을 받아 태양을 향 여성직장인옷 한 쪽은 쭈그러들고 태양 반대쪽은 길게 늘어져 있다. 이를 자기꼬리(magnetotail)라고 부른다. 지구 지름의 수십~수백배에 이르는 자기꼬리 안에는 태양풍을 타고 온 입자와 지구 상층 대기에서 빠져나온 입자가 섞여 있다. 이 길다란 꼬리가 플라스마 입자들이 우주로 빠져나가는 통로 또는 배출구 역할을 한다.
그런데 27.3일을 주기로 지구를 공전하는 달은 공전 주기마다 약 5일 동안 지구의 자기꼬리를 통과한다. 보름달이 뜰 무렵이 바로 그 시기다. 지구가 태양과 달 사이에 있을 때 달은 태양 반대편에 형성된 지구 자기꼬리 안으로 들어간다. 이때 강력한 태양풍의 영향에서 벗어나는 대신 지구 자기꼬리 안에 있는 지구바람에 노출된다.
이 바람에는 수소와 산소, 질소 등 다양한 원소의 이온 입자들이 포함돼 있다. 이 입자들이 달에 도달하면 화학반응을 일으킬 수 있다.



달 북극과 남극의 적철석 분포. 달의 적철석은 물의 개입 없이 산소만으로 이뤄진다. 하와이대 제공


산소는 극지로, 수소는 더 멀리
연구진은 이 과정을 재현해보기로 하고 인위적으로 지구바람을 만든 뒤 철이 풍부한 광물에 노출시켰다. 그 결과 산소와 접촉한 광물이 적철석으로 변하는 걸 확인할 수 있었다. 이 적철석에 수소를 접촉시키자 일부는 다시 철로 환원됐다. 지구바람 속의 산소가 달에서 적철석을 형성할 수 있다는 사실이 입증된 셈이다.
달의 고위도 지역에 적철석이 주로 분포하는 이유는 뭘까? 연구진은 산화제인 무거운 산소 이온은 극지 근처에서 달 표면으로 강하하는 반면, 환원제인 가벼운 수소 이온은 자기력선을 따라 극지역에서 더 멀리까지 우회하기 때문이라고 설명했다.
이번 연구는 달의 적철석과 관련한 또 다른 수수께끼도 풀 수 있을 것으로 보인다. 달 적철석은 종종 물 근처에서 발견되는데, 그동안 과학자들은 적철석이 물 때문에 생겼을 것으로 추정했다. 그러나 연구진은 환원 실험에서 부산물로 물이 생성되는 현상을 발견했다. 고에너지 수소를 적철석에 쐈더니, 산소가 철에서 떨어져 나와 수소와 결합하면서 물을 만들었다. 이는 달의 적철석 근처에서 발견되는 물이 사실은 적철석 환원 과정에서 생긴 부산물일 수 있음을 시사한다.
하지만 이번 연구는 어디까지나 모의 실험이지 실제 달 표본을 통해 확인한 것은 아니다. 연구진은 앞으로 달에서 적철석 표본을 가져와 그 안의 산소가 지구바람에서 유래한 것인지 확인할 수 있는 기회가 오기를 기대했다.
*논문 정보
Earth Wind-Driven Formation of Hematite on the Lunar Surface.
https://doi.org/10.1029/2025GL116170
곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr