달과 수성의 황: 존재 형태, 분포 및 기원

Core Concepts

달과 수성은 매우 환원된 환경으로, 황은 주로 환원된 형태인 황화물로 존재하며, 화산 활동을 통해 상당량의 황이 휘발되어 표면에 독특한 황 분포를 형성했습니다.

Abstract

달과 수성의 황 연구

본 연구 논문은 지구의 달과 수성에서 황(S)의 존재 비율, 분포, 그리고 황의 거동을 제어하는 과정에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다. 두 천체는 상당한 대기가 없고 표면에 많은 충돌 분화구가 있다는 점에서 주목할 만한 유사점을 공유합니다. 달과 수성은 모두 산소 분압(fO2)이 낮은 환원 환경이며, 황은 환원된 상태인 S2-로만 존재하며 황화물을 형성합니다.

달에 대한 연구는 아폴로 11호부터 창어 5호까지 55년간 축적된 달 샘플 분석 데이터를 기반으로 하며, 여기에는 황 농도 및 동위원소 구성 데이터가 포함됩니다. 본 논문에서는 달 내부의 황에서부터 마리아 basalt의 화산 활동, 화쇄성 분출에 이르기까지 다양한 과정을 논의합니다. 특히, 달 과학의 새로운 시대를 맞이하여 달의 황에 대한 미래 연구 방향을 제시합니다.
달 샘플의 황 함량

마리아 basalt, 화쇄성 유리, 충돌 용융 breccia, 레골리스 breccia, 토양(레골리스) 샘플, 마그네슘 스위트 및 anorthosite 샘플, 그리고 olivine에 포함된 용융 함유물에 대한 황 농도와 δ34S 안정 동위원소 조성을 분석했습니다.
마리아 basalt는 티타늄 함량에 따라 높은 티타늄 함량(high-Ti), 낮은 티타늄 함량(low-Ti), 매우 낮은 티타늄 함량(very low-Ti)의 세 가지 범주로 분류됩니다.
High-Ti basalt는 평균 1758 ppm의 황을 함유하고 있으며, low-Ti basalt는 그 절반 정도인 평균 820 ppm의 황을 함유하고 있습니다.
화쇄성 유리는 마리아 basalt에 비해 황 함량이 낮습니다.
토양과 breccia의 조성은 지역적으로 우세한 마리아 basalt, 화쇄성 퇴적물 또는 anorthosite의 조성을 반영합니다.
달 샘플의 황 동위원소 조성

마리아 basalt는 δ34S 값이 0에 가까운 양의 값을 보이며, 화쇄성 유리는 음의 δ34S 값을, 충돌 용융 breccia는 약간 양의 δ34S 값을, 토양과 레골리스 breccia는 높은 양의 δ34S 값을 보입니다.
High-Ti basalt의 평균 δ34S 조성은 0.77‰, low-Ti basalt의 평균 δ34S 조성은 0.31‰입니다.
달 토양 샘플에서 가장 높은 δ34S 값이 측정되었습니다.
마리아 Basalt

마리아 basalt의 주요 황 함유 광물은 황화물인 troilite(FeS)입니다.
Troilite는 일반적으로 금속 Fe와 함께 발견되며, 이는 Fe-S 시스템에서 공융 S 농도 미만의 용융물이 불균일하게 혼합된 결과로 해석됩니다.
마리아 basalt의 황 함량은 금속 Fe 함량과 음의 상관관계를 보이며, 이는 용융물에서의 탈기 또는 troilite의 분해 및 탈황에 의한 황 손실로 해석됩니다.
Apatite는 마리아 basalt에서 황을 함유하는 보조 광물이며, 주로 mesostasis 영역에서 발생합니다.
마리아 basalt의 황 함량은 olivine의 분별 결정화 지표와 상관관계가 있으며, 이는 황 탈기가 제한적이었음을 시사합니다.
화쇄성 유리 및 달 토양

화쇄성 유리에서 황 및 기타 휘발성 원소의 상당한 탈기가 발생했다는 명확한 증거가 있습니다.
Very low-Ti 아폴로 15호 유리의 휘발성 농도 프로파일은 비드 표면으로의 확산 추세를 보여주며, 이는 H, Cl, F 및 S 휘발물질의 탈기를 나타냅니다.
화쇄성 유리 비드 표면의 코팅에는 휘발성 물질이 농축되어 있습니다.
화산 가스 구름이 유리 비드 표면에 응축되어 표면 구성 요소가 형성되었음을 나타냅니다.

Key Insights Distilled From

Sulfur in the Moon and Mercury

by Christian J.... at arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18599.pdf

Deeper Inquiries

달과 수성 이외의 다른 태양계 천체에서 황의 분포와 거동은 어떠한가?

달과 수성 이외에도 황은 태양계의 다양한 천체에서 발견되며, 그 분포와 거동은 해당 천체의 특성에 따라 다르게 나타납니다.

금성: 두꺼운 대기 아래 숨겨진 금성 표면에는 황산염 광물의 존재를 뒷받침하는 증거들이 발견되었습니다. 이는 과거 금성의 화산 활동을 통해 방출된 황 성분이 대기 중에서 산화되어 황산을 형성하고, 이후 지표면의 암석과 반응하여 황산염 광물을 생성했음을 시사합니다.
화성: 화성에서는 과거 물의 존재를 뒷받침하는 증거들과 함께 황산염 광물이 널리 분포되어 있습니다. 이는 화성의 과거 환경이 생명체 존재 가능성이 있었음을 암시하며, 황의 거동이 초기 화성의 환경 진화에 중요한 역할을 했음을 보여줍니다.
목성의 위성 이오: 이오는 태양계에서 화산 활동이 가장 활발한 천체 중 하나이며, 표면에는 용융된 황과 이산화황으로 뒤덮인 화산과 용암류가 존재합니다. 이는 이오의 내부에 풍부한 황 성분이 존재하며, 휘발성 물질로서 화산 활동을 통해 지표면으로 분출되고 있음을 의미합니다.
토성의 위성 유로파: 얼음으로 덮여 있는 유로파의 표면 아래에는 액체 상태의 물로 이루어진 바다가 존재할 것으로 예상되며, 이 바닷물에는 황산염 등의 황 화합물이 용해되어 있을 가능성이 제기되고 있습니다.
혜성과 운석: 혜성과 운석에서도 황 성분이 발견되며, 이는 태양계 형성 초기 물질들의 구성 성분과 진화 과정에 대한 중요한 정보를 제공합니다.
이처럼 황은 태양계 다양한 천체에서 발견되며, 그 분포와 거동은 해당 천체의 환경 및 진화 과정과 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 황을 연구하는 것은 태양계의 기원과 진화, 그리고 생명체 존재 가능성을 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다.

만약 달과 수성의 화산 활동이 활발했다면, 황의 분포와 동위원소 조성은 어떻게 달라졌을까?

만약 달과 수성의 화산 활동이 활발했다면 현재 관측되는 것과는 다른 양상의 황 분포와 동위원소 조성을 보였을 것입니다.
달:

황 분포: 활발한 화산 활동은 달 표면에 광범위한 현무암질 마리아를 형성했을 것이며, 이 과정에서 내부의 황 성분이 마그마와 함께 분출되어 마리아 지역에 황 함량이 높은 화산암과 화산 퇴적물이 넓게 분포했을 것입니다. 특히, 화산 분출구 주변에는 황 함량이 높은 화산재와 화산 가스가 침전되어 독특한 지질학적 특징을 형성했을 가능성이 있습니다.
동위원소 조성: 화산 활동을 통해 방출된 황은 상대적으로 가벼운 동위원소(32S)가 풍부하고 무거운 동위원소(34S)가 부족한 경향을 보일 것입니다. 이는 가벼운 동위원소를 포함하는 기체가 무거운 동위원소를 포함하는 기체보다 쉽게 휘발되기 때문입니다. 따라서 활발한 화산 활동은 달 표면의 황 동위원소 조성을 전체적으로 가볍게 만들었을 것입니다.
수성:

황 분포: 수성의 경우, 활발한 화산 활동은 현재 관측되는 것보다 더 넓은 지역에 걸쳐 용암 평원을 형성했을 것이며, 이는 황 성분이 표면에 더욱 광범위하게 분포하는 결과를 가져왔을 것입니다. 또한, 화산 활동과 관련된 열수 활동이 일어났다면, 황 함량이 높은 광물들이 침전되어 광맥을 형성했을 가능성도 있습니다.
동위원소 조성: 달과 마찬가지로, 활발한 화산 활동은 수성 표면의 황 동위원소 조성을 전체적으로 가볍게 만들었을 것입니다. 하지만 수성은 달보다 중력이 강하기 때문에, 휘발성 물질의 손실이 적어 달보다 무거운 동위원소 조성을 유지할 가능성도 있습니다.
결론적으로, 달과 수성의 화산 활동이 활발했다면 현재 관측되는 것보다 더욱 다양하고 풍부한 황 관련 지질 현상을 관찰할 수 있었을 것입니다. 하지만, 실제로는 두 천체 모두 과거에 비해 화산 활동이 매우 제한적이었기 때문에, 현재 관측되는 황의 분포와 동위원소 조성은 제한적인 화산 활동의 영향을 반영하는 것으로 해석됩니다.

달과 수성의 황 연구는 지구의 초기 진화 과정을 이해하는 데 어떤 도움을 줄 수 있을까?

달과 수성의 황 연구는 지구의 초기 진화 과정, 특히 휘발성 물질의 기원과 분포, 그리고 지구 초기 대기와 바다의 형성 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다.

휘발성 물질의 기원과 분포: 지구, 달, 수성은 모두 태양계 형성 초기에 존재했던 원시 행성계 원반에서 생성되었지만, 각 천체의 크기와 환경에 따라 휘발성 물질의 함량과 분포가 다르게 진화했습니다. 달과 수성의 황 동위원소 조성과 함량 연구를 통해 태양계 초기 휘발성 물질의 기원과 분포를 추적하고, 지구의 휘발성 물질과 비교 분석함으로써 지구형 행성의 휘발성 물질 진화 모델을 구축하는 데 기여할 수 있습니다.
지구 초기 대기와 바다의 형성: 지구 초기 대기와 바다는 화산 활동을 통해 내부에서 방출된 휘발성 물질로부터 형성되었으며, 황은 이러한 휘발성 물질 중 하나였습니다. 달과 수성의 화산 활동과 황 방출 역사를 연구함으로써, 지구 초기 대기와 바다 형성 과정에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 달의 화산 폭발 시 방출된 황과 다른 휘발성 물질의 양을 추정하고 이를 통해 초기 지구의 대기 조성 변화를 모델링할 수 있습니다.
거대 충돌 가설 검증: 달은 거대 충돌에 의해 형성되었다는 가설이 지배적이며, 이 가설에 따르면 초기 지구는 거대한 충돌을 겪으면서 많은 양의 휘발성 물질을 잃었을 것으로 예상됩니다. 달의 황 동위원소 조성과 함량 연구는 거대 충돌 이후 지구와 달의 휘발성 물질 함량 변화를 추정하는 데 도움을 주어 거대 충돌 가설을 검증하는 데 기여할 수 있습니다.
결론적으로, 달과 수성의 황 연구는 지구형 행성의 휘발성 물질 진화 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 이는 지구의 초기 진화 과정, 특히 대기와 바다의 형성 과정을 밝히는 데 중요한 역할을 합니다.