번개 칠 때 우주에서는 색다른 게 관측된다
번개 칠 때 우주에서는 색다른 게 관측된다
  • 함예솔
  • 승인 2020.06.17 14:30
  • 조회수 3359
  • 댓글 0
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우르르 쾅쾅.

천둥과 번개를 동반한 폭풍우와 뇌우는 전 세계에 걸쳐 발생합니다. 주로 여름철에 발생하는데요. 여름에는 습도도 높고 지면과 대기의 온도차가 큰 탓에 대기가 불안정하기 때문입니다. 이 때문에 벼락을 발생시키는 비구름, 이른바 번개구름이 쉽게 만들어집니다. 이렇게 흔히 발생하는 번개이지만, 놀라운 점은 번개에 대해 과학자들이 아는 바가 많지 않다는 거죠. 왜냐하면 번개를 연구하는 것이 어렵기 때문인데요. 번개가 언제 어디에서 칠지 예측할 수 없기 때문입니다. 번개는 위험하기도 하죠. 

 

이웃님들도 먹구름에서 땅으로 내려치는 번개를 본 적 있으실 겁니다. 하늘에서 땅으로 이어지는 번개를 보고 있자면 경외로운 느낌마저 들기도 합니다. 그런데, 이 번쩍하는 번개의 가장 강력한 활동은 지구의 초고층 대기에서 발생하고 있었습니다. 

 

국제우주정거장에서 번개 매커니즘을 밝히다

구름속에서 치는 번개 출처: ESA
구름속에서 치는 번개 출처: ESA

초고층 대기에서는 지구상에서 자연적으로 만들어질 수 있는 가장 고에너지인 감마선의 순간적인 폭발을 일으켰는데요. 연구진들은 최근 국제우주정거장(ISS)의 기기를 사용해 고에너지의 지구감마선폭발(terrestrial gamma-ray flashes, TGFs)을 측정했습니다. ASIM은 TGF 외에도 상층부에서 강력한 번개가 일어나는 현상인 메가번개(transient luminous events, TLE)도 기록했다고 하는데요. 

폭풍 사냥꾼 스톰헌터! 출처: ESA
폭풍 사냥꾼 스톰헌터! 출처: ESA

지구감마선 폭발(TGFs)를 관측한 기기는 대기-우주 간 상호작용 감시 시스템(Atmosphere-Space Interactions Monitor, ASIM)인데요. 이 기기는 우주정거장 외부에 있는 유럽우주국(ESA)의 지구 관측 시설 입니다. 주로 뇌우와 지구 대기 및 기후의 역할을 연구하는데 사용되는데요. 

 

ASIM에는 친근하게도 별명이 있습니다. 우주 폭풍 사냥꾼이라는 뜻의 '스페이스 스톰헌터(Space storm hunter)', 줄여서 '스톰헌터'라고도 불립니다. 스톰헌터는 천둥·번개를 동반한 비구름 속 번개를 찾는 시스템이며, 광학 카메라, 광도계 및 X선·감마선 탐지기를 포함합니다.

'스페이스 스톰헌터(Space storm hunter)'. 출처: NASA
'스페이스 스톰헌터(Space storm hunter)'. 출처: NASA

ASIM은 최근 <Science>에 게재된 연구에서 TGF를 생성하는 사건의 순서를 결정하는데 도움이 됐다고 합니다. 이번 연구는 우리가 번개라고 부르는 밝은 섬광이 만들어지는 매커니즘을 밝히는데 도움이 된 것 같습니다.

 

이번 연구의 주요 저자이자 덴마크공대 국립 우주 연구소(National Space Institute, Technical University of Denmark)의 Torsten Neubert는 "ASIM을 통해 우리는 어떻게 대기와 구름이 난로 위의 스튜 냄비처럼 거품이 이는지 볼 수 있었다"며 "대류는 습도, 먼지, 다른 입자들을 지구의 복사 균형에 영향을 미치는 초고층 대기로 가져온다"고 설명합니다. 이어 "번개는 대류의 척도로 날씨와 기후 모델에 포함시키기에 비교적 간단할 수 있다"고 덧붙입니다. 

 

번개의 속을 들여다보다

 

번개는 구름 안에서 또는 구름과 지면 사이에서 일어나는 방전 현상입니다. 구름의 전하는 대류에 의해 움직이는데요. 높은 곳으로 운반되는 가벼운 얼음입자와 중력으로 아래로 떨어지는 무거운 입자들과 함께 운반됩니다. 이 입자들이 충돌할 때 서로 전하를 교환하게 되는데요. 가벼운 입자들은 양전하로 충전되는 반면 무거운 입자들은 음전하로 충전됩니다. 전하의 강도가 대기의 절연 특성을 넘어설 때까지 대기는 이들 전기장 사이에서 절연체 역할을 하는데요. 그러면 구름 사이 혹은 구름과 지면 사이에 긴 스파크가 형성됩니다. 이는 너무 빨라서 육안으로는 보기 힘들다고 합니다. 이 스파크가 지면에 연결되면 우리는 높은 전류가 흐르는 밝은 섬광인 번개를 보게 됩니다. 

번개 치고 뭔가가 솟구치네요! 출처: Birkeland Centre for Space Science and Mount Visual

Torsten Neubert과 연구팀은 번개의 전류 펄스가 시작될 때 TGF가 발생하는 걸 관찰했습니다. 그 후 지구 대기의 이온층으로 무언가를 뿜어냈습니다. 이는 자외선 방출 파동을 확장시켰습니다. 마치 물에 던진 조약돌에서 나오는 우주의 잔물결처럼 말이죠. 측정 결과 전류의 시작은 높은 진폭에서 빠르게 일어나고 TGF는 전자기장에 의해 생성된다는 걸 알 수 있었습니다. 이러한 관찰은 TLEs와 TGF 사이의 연관성에 대한 증거를 제공합니다. 

ASIM의 데이터를 기반으로 제작됐다. 번개(푸른색)이 발생하고 TGF(자홍색)을 생성. 그 결과 전자기 펄스는 자외선을 방출(빨간색 및 흰색). 출처: Birkeland Centre for Space Science, Daniel Schmelling/Mount Visual
ASIM의 데이터를 기반으로 제작됐다. 번개(푸른색)이 발생하고 TGF(자홍색)을 생성. 그 결과 전자기 펄스는 자외선을 방출(빨간색 및 흰색). 출처: Birkeland Centre for Space Science, Daniel Schmelling/Mount Visual

뇌우가 초고층 대기에서 갑자기 분출되는 매우 높은 에너지의 전자를 생성할 때 이는 아주 짧은시간인 밀리 초(1초의 1000분의 1) 밖에 지속되지 않지만 ASIM이 측정할 수 있는 X-선과 감마선을 방출합니다. 즉, 이 관측은 전자들이 방출될 때 어떤 일이 일어나는지 정확히 밝혀내는데 도움을 줍니다. 

 

Torsten Neubert는 "번개가 구름을 통과하면서 전방의 대기가 매우 높은 전류의 매우 빠른 펄스로 분해될 수 있다"며 "그 과정에서 전자를 뿜어내고 이것이 밝은 섬광을 만들어낸다"고 전합니다. 이어 Torsten Neubert는 번개는 위험하기 때문에 과학자들은 연구실에서 번개를 연구하는 경향이 있지만 이러한 접근 방식은 번개의 본성까지 알아낼 순 없다고 덧붙입니다. 그는 "우리는 이러한 새로운 정보를 이용해 고에너지 방사선이 어떻게 생성되는지, 번개 내부의 프로세스에 대해 더 많은 것을 알아낼 수 있을 것"이라고 밝혔습니다. 

 

 


##참고자료##

 


 


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