번개가 어떻게 생성되는지는 현대의 과학으로도 밝혀지지 않았는데, 이 수수께끼를 규명하기 위해 은하의 관측에 사용하는 전파망원경 LOFAR(LOw Frequency ARray/저주파 어레이)를 사용해 번개가 생성되는 모습을 고해상도 3D 데이터로 파악했습니다.
Radio Telescope Reveals How Lightning Begins | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/radio-telescope-reveals-how-lightning-begins-20211220/
Detailed Footage Finally Reveals What Triggers Lightning | Quanta Magazine
Scientists have never been able to adequately explain where lightning comes from. Now the first detailed observations of its emergence inside a cloud have exposed how electric fields grow strong…
www.quantamagazine.org
The Spontaneous Nature of Lightning Initiation Revealed | Earth and Space Science Open Archive
https://www.essoar.org/doi/10.1002/essoar.10508882.1
The Spontaneous Nature of Lightning Initiation Revealed
Here, we present new radio interferometer beamforming observations of lightning initiation using data from the Low Frequency Array (LOFAR). We show that the first lightning source in the flash incre
www.essoar.org
번개에 대한 연구는 옛날부터 존재했으며, 1752년에는 벤자민 프랭클린이 벨을 이용한 실험으로 번개의 정체가 전기인 것을 밝혀냈습니다. 그러나 실은 번개는 어떻게 생성되는지에 대한 수수께끼는 아직 해결되지 않았습니다.
번개가 생성되는 과정의 주류적인 가설로는 '뇌운 속에서 작은 얼음의 결정이 상승하고 얼음 알갱이로 내릴 때, 결정 안의 음으로 대전된 전자가 마찰로 떨어지고 구름의 상부가 양으로 대전하고 하부가 부로 대전해 거대한 불꽃을 낳는 전계가 생성된다'는 것이 있습니다. 그러나 구름 속의 전장은 불꽃을 낳기에는 너무 작다고 알려져 있으며, 실제로 뇌운 속에 로켓이나 풍선을 보내어 조사해도 역시 불꽃을 낳기에 충분한 전장은 관측되지 않았다고 합니다.
번개가 생성되는 수수께끼를 밝히는 데 있어서의 문제는 구름이 불투명하고 정밀도가 높은 카메라라도 번개가 생성되는 그 순간을 촬영할 수 없다는 것입니다. 그래서 뉴햄프셔대학의 물리학자인 Joseph Dwyer 교수는 네덜란드에 있는 전파망원경 LOFAR을 이용했습니다.
LOFAR은 일반적으로 은하간 가스 및 자기폭풍과 같은 우주에서 발생하는 현상을 관찰합니다. 번개는 빛과 함께 무선펄스를 발산하는데 무선펄스는 빛과 달리 두꺼운 구름을 통과할 수 있습니다. LOFAR은 이 무선펄스를 검출하는 방식으로 번개를 고해상도로 3차원 매핑을 할 수 있다는 것. 번개를 무선검출기로 매핑하는 시도는 처음이 아니지만 대부분의 이전 시도는 저해상도에 2차원적이었으므로 LOFAR을 사용한 관측과는 다릅니다.
LOFAR에서 관찰한 데이터의 애니메이션은 아래 링크를 클릭하여 볼 수 있습니다.
애니메이션
https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2021/12/Lightning_1238x826_Lede_Video.mp4
2018년 8월 연구팀은 LOFAR을 사용하여 수집한 데이터를 분석하여 뇌운의 깊이 70미터에서 무선펄스가 발생하고 있음을 밝혀냈습니다. 연구팀이 관찰한 무선펄스의 패턴은 번개의 형성에 대한 2개의 가설을 지지한다고 합니다. 하나는 '우주선이 뇌운 속의 전자와 충돌하고 전자 눈사태로 인해 전장이 강화된다'는 가설이고 다른 하나는 '얼음결정이 충돌하여 양과 음으로 하전되는데 양으로 하전된 얼음은 공기에서 더 많은 전자를 수집해 스트리머(방전로)가 늘어나게 된다. 이 스트리머는 주위의 공기를 가열해 공기중으로부터 보다 많은 전자를 떼어내, 얼음의 결정에 많은 전류가 흐르게 되면서 최종적으로 번개가 형성된다'는 가설입니다.
연구자들은 스트리머가 대량으로 형성됨으로써 무선펄스가 지수함수적으로 증가하고 전자 눈사태가 멈춘 곳에서 번개가 형성된다고 생각합니다. 코로나19의 유행으로 인해 전세계에서 봉쇄가 이루어진 결과, 얼음결정의 핵이 되는 대기 중의 오염물질이 감소했습니다. 이 시기에 번개 발생이 10% 감소한 것이 관측되어 연구자의 생각은 이 관측결과와도 일치합니다.
다만 이번 연구에서는 공기를 이온화하는 얼음입자를 직접적으로 다루지 않았고 '첫번째 전자는 어디에서 오는가', '얼음입자 근처에서 방전이 어떻게 일어나는가' 등 의문은 밝혀지지 않았습니다. 이 때문에 스트리머가 어떻게 번개를 생성하는지에 대한 수수께끼가 남습니다. 한편 지금까지의 번개에 대한 연구는 고해상도 데이터의 부족으로 정확한 시뮬레이션을 구축할 수 없었기 때문에, 이 연구에서 얻은 데이터는 번개 연구의 중요한 단계가 될 것으로 보입니다.
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