타이탄 연무의 적외선 스펙트럼 특성에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

타이탄 대기 중에 존재하는 연무(haze)의 분광학적 성질은 파장, 고도 및 지역에 따라 크게 변하지 않는 것으로 오랫동안 간주돼 왔으나, 본 연구에서는 복사전달계산을 통해 타이탄의 대기를 모사하는 분광선 모델을 만들고 이를 관측 자료와 비교하여, 연무의 광학적 성질이 근적외선 영역에서 고도와 위도, 지역태양시 및 파장에 따라 변화함을 보이고, 이를 설명할 수 있는 연무 입자의 후보 분자군을 제안한다.
타이탄 대기의 분광선에는 성층권에 존재하는 메테인(CH_4)에 의한 흡수밴드가 지배적으로 나타나는데, 이 밴드의 파장별 특성을 이용해 대기의 성질을 고도별로 살펴볼 수 있다. 특히 성층권에서 타이탄의 가장자리가 중심부보다 밝은 주연증광(Limb Brightening) 현상이 나타나는데, 여기에는 태양과의 위상각 효과 외에 비(非)기하학적 요소도 기여하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 연무 입자의 성질 및 분포가 전 구(球)에 걸쳐 단일하다고 가정했던 기존의 대기 모델을 보완하고 이를 제미니(Gemini) 천문대의 적분시야분광계(Near-infrared Integral Field Spectrometer, NIFS)로 관측한 자료와 비교해, 아침과 저녁에 해당하는 동-서 방향 가장자리에서 연무입자의 단일산란반사도가 증가함을 보인다. 이는 기체 상태인 연무입자 중 일부가 아침 및 저녁에 대항하는 지역의 온도 강하로 인해 얼음 형태로 변함을 시사한다.
연무의 분광선은 파장에 따라 크게 변하지 않는 연속선으로 가정하는 것이 일반적이었으나, 최근 3-μm 영역에서 연무에 의한 흡수밴드가 발견됐으며 그 위치가 고체 탄화수소화합물의 C-H 신축운동에 의한 밴드와 유사한 점에 착안하여, 또 다른 C-H 신축밴드가 나타나는 2-μm 영역에서도 연무에 의한 흡수밴드가 존재하며, 그 밴드의 세기와 형태가 고도에 따라 변화함을 보인다. 이를 위해 카시니(Cassini) 탐사선이 가시광선-적외선 사상 분광계(Visible-Infrared Mapping Spectrometer, VIMS)로 타이탄에 의한 태양의 엄폐(occultation)를 관측해 얻은 고도별 분광선에 대한 복사전달모델을 계산한다. 또한, 주로 알케인(alkane)으로 이루어진 고체 상태의 탄화수소화합물이 두 파장영역의 연무 흡수밴드를 모두 설명하는 후보임을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The haze in the Titan's atmosphere has long been assumed to be uniform or
rarely changes for the entire globe. In this work, using model spectrum of Titan's
atmosphere synthesized with the radiative transfer calculation to fit the observation,
it is shown that the optical properties of haze in near-infrareds significantly varies
along altitude, latitude, local true solar time (LTST), and wavelength which can be
explained by a group of molecules as a candidate for the haze particle.
The characteristics of Titan's atmosphere can be probed as a function of
altitudes making use of the spectral characteristics of strong absorption bands of
methane (CH4) that resides mostly in Titan's stratosphere. The images at
stratosphere-probing-wavelengths shows "Limb Brightening" which is known to be
due in a large part to the geometrical shadow originated from the solar phase
angle and a small but significant part to non-geometrical causes. In this work, by
compensating the previous model that assumed a globally uniform haze and
comparing it to the Near-infrared Integral Field Spectrometer (NIFS) on Gemini, it
is shown that the single scattering albedo of haze particles increases at the east and
west limb that corresponds to the morning and evening side, respectively. It is
indicative of the freezing of a part of the gaseous haze particles due to the
temperature decline.
While it has been a tradition to treat the spectrum of haze as a flat or
smoothly varying continuum, the recent discovery of the absorption band of haze
near 3-μm that coincides the C-H stretching band leaded this work to find another
one near 2-μm and to whose intensity and shape change along the altitude. For its
demonstration, the radiative transfer models are synthesized to reproduce the spectra
of several altitude ranges obtained during the solar occultation by titan using the
Visible-Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) onboard Cassini spacecraft. Last but
not least, a group of icy hydrocarbons that is mostly composed of alkanes is
suggested as one possible candidate for both of the absorption bands of haze at
two wavelength ranges.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 2
• 가. 대기를 가진 위성 타이탄 3
• 나. 타이탄 대기 관측 약사(略史) 7
• (1) 보이저(Voyager) 탐사선 7
• (2) 우주망원경을 이용한 관측 9
• (3) 지상망원경을 이용한 타이탄의 대기 관측 10
• (4) 카시니(Cassini) - 토성의 첫 인공위성 15
• (5) 호이겐스의 방문 18
• 2. 복사전달모델 19
• 가. 평행판(plane-parallel-layer)과 구각(spherical-shell) 보정 22
• 나. Fautrier 방법: 등방산란의 경우 22
• 다. Feautrier 방법의 확장: 비등방산란의 경우 24
• 라. 대기모델 27
• 3. 지역별 특성 – 주연 감광/증광 현상을 중심으로 30
• 가. 관측 및 자료처리 32
• 나. 주연 증광/감광의 동서비대칭(EWA) 34
• 다. 복사전달계산 35
• 라. 모델스펙트럼 38
• 마. Cassini/CIRS 원적외선 스펙트럼에 나타나는 연무입자 49
• 바. 결론 56
• 4. 파장 및 고도별 특성 – 2-μm 흡수스펙트럼을 중심으로 57
• 가. Cassini/VIMS로 관측된 태양 엄폐(occultation) 스펙트럼 57
• 나. 관측과 자료처리 58
• 다. 2-micron VIMS 관측자료와 모델스펙트럼의 비교 60
• 라. 2.0-2.8μm의 분광구조의 가(假)동정 및 논의 70
• 마. 결론 76
• 참고문헌 77
• 약어(略語) 93
• 용어 변환: 한글-영어 94
• 용어 변환: 영어-한글 98
• 영문초록 (Abstract) 102
• 알리는 글 103