왜 달에는 대기가 없을까?

달에는 대기가 없다

아폴로 11호가 달 표면에서 찍은 지구의 모습입니다. 흔히 볼 수 있는 사진이죠? 알록달록한 지구와 달리 달은 너무 심심하죠? 지구의 하늘이 파랗고 노랗게 변하는 동안에도 달은 변함이 없습니다. 왜냐하면 달에는 대기가 존재하지 않기 때문이죠. 지구의 대기가 파란색을 띠는 건, 대기가 빛을 산란하기 때문입니다.
그럼 달에는 왜 대기가 없을까요? 결론부터 말하면 달의 질량이 너무 낮기 때문입니다. 달의 질량은 지구와 비교해 1/80밖에 되지 않습니다. 이는 달의 중력이 지구보다 약하다는 것을 의미합니다. 중력은 질량에 비례하기 때문이죠. 그래서 지구에서는 지구를 벗어나기 위한 중력 탈출 속도가 초속 11.2km인데, 달에서는 중력 탈출 속도가 초속 2.45km입니다. 그러니까 지구를 벗어나 우주로 나가는 것보다 달에서 우주로 나가는 것이 훨씬 쉽다는 거죠. 그리고 이는 대기에도 똑같이 적용됩니다.

대기를 잡아둘 정도의 중력이 없다?

중력 탈출 속도를 계산하는 아래의 수식에서 G는 중력 상수고요. M은 행성의 질량, R은 행성의 반지름입니다.

중력 탈출 속도란 어떤 행성에서 우주로 나가기 위한 최소한 속도를 말합니다.
이 식이 의미하는 것을 단순하게 보면 중력 탈출 속도는 행성의 질량에 비례 관계에 있고, 행성의 반지름과는 반비례 관계에 있습니다. 그래서 행성의 질량이 커질수록 중력 탈출 속도는 빨라지고, 반지름이 커질수록 중력 탈출 속도는 줄어드는 거죠. 여기서 반지름은 행성의 표면에 있을 때는 행성의 반지름이 되지만 만약 어떤 물체가 하늘에 떠 있는 상태라면 그 높이만큼을 반지름이라고 할 수 있습니다.
예를 들어, 지구의 표면에서는 중력 탈출 속도가 최소 초속 11.2km이지만, 우주정거장과 비슷한 고도 400km(우주정거장의 고도는 약 354km)에서는 초속 10.8km 정도가 됩니다. 정리하면 이 식이 의미하는 것은 중력 탈출 속도는 행성을 벗어나려는 물체의 질량과는 관계없다는 것입니다. 우리와 공기가 가져야 하는 중력 탈출 속도는 모두 같다는 거죠.
달의 중력 탈출 속도가 더 낮다는 건 달에 있는 대기가 지구에 있는 대기보다 더 쉽게 우주공간으로 빠져나간다는 것이고, 다르게 이야기하면 달이 대기를 붙잡아둘 수 있을 정도의 중력을 가지고 있지 않다는 겁니다. 이런 이유로 달에는 대기가 존재하지 않고, 하늘도 검은색으로 보이는 겁니다.

중력 강한 수성은 왜?

그렇다면 다른 천체는 어떨까요?
수성도 달처럼 대기를 가지고 있지 않은 천체입니다. 수성의 경우 대기를 붙잡아 둘 수 있을 정도로 강한 중력을 가지고 있기는 하지만, 태양 빛으로 인해 대기가 모두 날아간 경우에 해당하죠. 마치 물이 끓는 것처럼 태양 빛은 수성의 대기에 열을 가하고, 이렇게 열이 가해진 대기의 속도는 올라가게 됩니다. 끓는 물이 더 활발히 움직이는 것처럼 수성의 대기도 끓었다는 거죠. 그리고 이로 인해 수성의 대기는 수성의 중력 탈출 속도를 넘어서게 되었고, 이 대기들은 수성을 벗어나 우주 공간으로 날아가게 되었습니다.

이 포스트는 『만약에 과학 : 우주』(천민우)에서 발췌 정리한 것입니다.