지구상의 번개를 이해하는 방식을 바꾸기 전에 Joseph Dwyer는 보다 우주적인 환경에서 날씨를 연구했습니다. 그는 수백만 마일 떨어진 곳을 공전하는 NASA의 Wind 위성 센서를 사용하여 태양에서 뿜어져 나오는 플레어를 관찰하고 태양 표면에서 흐르는 입자를 분석했습니다. 그러나 새천년이 시작될 무렵 플로리다로 이주했을 때 Dwyer는 새로운 것, 즉 그와 그의 학생들이 스스로 조사할 수 있는 것에 대한 준비가 되었다고 느꼈습니다. 열대 기후가 그의 사무실 창밖으로 적절한 미스터리를 전달하는 데는 오랜 시간이 걸리지 않았습니다. Dwyer는 "밖에서는 붐, 붐, 붐 같았습니다."라고 말했습니다. “그것을 살펴보니 번개가 해결되지 않은 문제라는 것을 깨달았습니다.”
뇌우는 수천 년 동안 인류를 사로잡았지만, 뇌우의 내부 작용은 여전히 매우 신비스럽습니다. 폭풍 구름은 불투명합니다. 접근하기 위험해요. 그리고 너무 커서 실험실에 들어갈 수 없습니다. 호기심 많은 연구자들은 거의 300년 동안 연, 풍선, 로켓을 그곳으로 보내 왔으며 많은 것을 배웠습니다. 그러나 번개를 좋아하는 사람들은 액션에 가까워질 때마다 이해의 큰 격차를 발견합니다. 지난 50년 동안 연구자들은 한 가지 특별한 격차에 초점을 맞춰 왔습니다. 우리가 번개라고 부르는 들쭉날쭉한 백열 공기 통로는 어떻게 시작됩니까?
최근 이 분야는 연구자들이 구름을 뚫을 수 있는 새로운 방법을 고안함에 따라 일종의 르네상스를 경험했습니다. 이들 중 다수는 드와이어와 같은 천체물리학 난민입니다. 그들은 폭력적인 우주 사건을 연구하기 위해 제작된 수많은 도구를 가져와 지상 뇌우의 잔인함에 대해 훈련시켰습니다. 그들은 번개가 지그재그로 엑스레이를 쏘는 것을 보았고, 뇌운에서 나오는 감마선의 깜박이는 빛을 발견했으며, 최근에는 볼트가 예상치 못한 방향으로 이동하는 힌트를 감지했습니다.
모든 조각을 하나로 모은 사람은 없지만 번개에 대한 새로운 이해가 구체화되고 있습니다. 무시무시한 섬광은 한때 물리학자들이 상상했던 초대형 전기 스파크와 점점 더 비슷해졌습니다. 전기가 중심 역할을 하는 동안 번개는 우주 폭발에서 입자 물리학에 이르기까지 전체 물리학 표준에 의해 형성되고 형성됩니다. 특히, 볼트를 발사하려면 솜털 같은 구름보다는 초신성, 블랙홀, 입자 충돌기와 더 일반적으로 관련된 극한 현상이 필요한 것으로 보입니다.
New Mexico Tech의 대기 물리학자인 Caitano da Silva는 "고에너지 과정이 번개 발생에 중요한 역할을 한다는 점에 대한 합의가 현장에서 커지고 있습니다"라고 말했습니다. "이 분야에 참여하는 것은 매우 흥미로운 시기입니다."
트리거 포인트
번개가 하늘을 가르자 고대 그리스인, 스칸디나비아인, 힌두교인은 신성한 전쟁의 섬광을 보았습니다. 그리고 천둥소리가 그들의 가슴을 덜컥 덜컥 울릴 때, 중국인들은 신이 범죄자들을 처벌하는 것을 느꼈습니다. 오늘날에도 뇌우의 위력은 여전히 사람들을 놀라게 합니다.
다 실바(da Silva)는 “나는 브라질에서 엄청난 번개와 함께 대규모 한랭 전선이 닥치는 것을 보면서 자랐습니다.”라고 말했습니다. “나는 그것이 점점 겁이 났다.”
두려움에는 매력이 따릅니다. 그러나 수세기에 걸친 탐험에도 불구하고 다 실바(da Silva)와 같은 매혹적인 물리학자들은 여전히 고대인들이 했던 것과 동일한 질문을 던지고 있습니다. 번개는 어떻게 시작됩니까?
한동안 연구자들은 답이 있다고 생각했습니다. 18세기와 19세기에 물리학자들은 전기에 대한 신비를 풀면서 명령에 따라 상당한 크기의 불꽃을 일으키는 방법을 배웠습니다. 즉, 하나의 금속 공에 전하를 쌓고 두 번째 공을 근처로 가져오면 그 사이에 불꽃이 도약하는 것입니다. 연구자들은 결국 물질의 구조를 알아냈을 때 그 이유를 이해했습니다. 분리된 전하는 공 사이에 전기장을 생성합니다. 전기장이 임계 강도(미터당 약 300만 볼트)에 도달하면 공기가 풀리기 시작합니다. 장은 느슨한 전자를 인접한 원자로 던져서 더 많은 전자를 느슨하게 만듭니다. 가파른 산 경사면에 쌓인 눈처럼 전자는 "눈사태"를 일으키며 빛을 발할 때까지 공기를 가열합니다.
마크 벨란/Quanta 매거진
벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 1752년 그의 유명한 연 날리기 실험에서 실험실의 불꽃을 하늘의 번개와 연결했습니다. 그리고 이후 200년 동안 연구자들은 폭풍우 구름에서 일어난 일이 더 큰 규모로 금속 구체 사이에서 일어난 일과 정확히 동일하다고 믿었습니다. 번개의 미스터리가 풀린 것 같았습니다.
그러나 물리학자들이 20세기 중반 연에서 로켓, 트럭 크기의 기상 관측 기구로 발전하면서 문제를 발견했습니다. 구름에는 전기장이 있습니다. 작은 얼음 결정은 카펫에 깔린 양말처럼 서로 마찰하고, 여분의 전자를 가진 결정은 구름 바닥에 쌓이는 경향이 있습니다. 그러나 이러한 분야는 약합니다. 일반적인 뇌우는 스파크를 일으키는 데 필요한 전기 에너지의 10분의 1에 불과하며, 지금까지 측정된 가장 강한 전기장은 임계 강도의 1/3에 불과합니다. 그러나 NASA 위성에 따르면 특정 순간에 전 세계적으로 2,000회 이상의 뇌우가 발생합니다. 이는 토끼 경사면을 천둥처럼 쏟아지는 눈사태만큼 수수께끼스러운 관찰입니다.
오클라호마 대학 산하 악천후 및 고영향 기상 연구 및 운영 협동 연구소의 연구원인 Michael Stock은 "기존의 항복 임계값 이상으로 전기장을 증가시켜야 합니다."라고 말했습니다. “하지만 자연에서는 그런 일이 일어나지 않는 것 같아요.”
눈에 보이는 볼트는 공기가 뜨겁고 전하를 띤 아원자 잔해 덩어리로 분해되었음을 의미합니다. 따라서 무언가가 전기장을 과급하여 임계 임계값을 넘어섰거나 다른 프로세스가 공기 분자를 분해해야 합니다. 문제는 무엇입니까?
1752년에 벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 이 c에 묘사된 것처럼 그의 유명한 연 실험을 수행했습니다. 벤자민 웨스트의 1816년 그림. 이 실험으로 번개와 전기의 연관성이 확립되었습니다.
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프랭클린에게서 또 한 가지 단서가 나옵니다. 그는 날카로운 팁이 불꽃을 일으키거나 받을 가능성이 더 높다는 것을 관찰했습니다. 이제 물리학자들은 뾰족한 도체가 근처의 전기장을 강화하기 때문에 이런 일이 발생한다는 것을 이해합니다. 1960년대와 1970년대에 플로리다와 프랑스의 물리학자들은 폭풍우 구름 속으로 날카로운 끝을 가진 작은 로켓을 발사하여 의도적으로 번개를 터뜨리기 시작했습니다. 로켓 뒤에서 와이어가 풀리고 볼트가 땅에 닿게 됩니다.
대부분의 폭풍우 구름에는 불꽃을 튀게 하는 로켓에 장착된 다트가 없지만 얼음 결정이 있으며 그 중 일부는 연필 지우개 크기를 초과할 수 있습니다. 전도체이기도 한 이 얼음 덩어리는 파편으로 늘어날 수 있습니다. 물리학자들은 충분히 긴 얼음 조각이 자기장 강도를 10배 이상 높일 수 있으며, 소위 대기수성체라고 불리는 여러 개가 함께 작용하면 훨씬 더 나은 성능을 발휘할 수 있다고 추정했습니다. 다시 한 번 미스터리가 해결된 것 같았습니다.
그러다가 물리학자들은 우주에서 폭풍을 관찰하기 시작했고 뇌운이 그들이 상상했던 것보다 더 이상하다는 것을 알게 되었습니다.
폭주하는 눈사태
1994년에 극단적인 심우주 폭발을 탐색하는 위성이 종종 번개와 함께 뇌운에서 나오는 감마선 섬광을 포착했습니다. 감마선은 가장 에너지가 풍부한 유형의 광선으로, 일반적으로 죽어가는 별의 마지막 숨소리나 두 중성자별의 격변적인 박수를 표시합니다. 날카로운 얼음 조각이 아무리 많아도 구름에서 나올 것으로 예상되는 것은 아닙니다. 빠르고 강렬한 아원자 입자의 영역에서 뭔가가 일어나고 있었습니다.
드와이어가 플로리디안의 번개 폭풍을 목격하고 그 신비한 기원에 대해 알게 된 것은 이 무렵이었습니다. 천체물리학자로서 그는 아원자 영역에 대해 알고 있었습니다. 그는 노벨상 수상자 C.T.R. 윌슨은 빛의 속도에 가깝게 움직이는 "상대론적" 전자는 공기 중의 원자로부터 거의 끌림을 느끼지 않을 것이라는 가설을 세웠습니다. (다 실바(Da Silva)는 이를 총알이 눈송이를 흩날리는 것에 비유합니다.) 따라서 전기장에서 충분히 빠른 전자는 점점 더 빠르게 "도주"할 수 있습니다.
드와이어는 러시아 물리학자 알렉산드르 구레비치(Aleksandr Gurevich)가 1992년에 그러한 폭주 전자가 실험실에서 불꽃을 일으키지만 수백에서 수천 미터에 걸쳐 발생하는 눈사태와 유사하게 아마도 100,000개의 전자의 폭포를 방출할 수 있다는 것을 보여주었다는 것을 알고 있었습니다. 그리고 그는 또한 이러한 상대론적 폭주 전자가 공기 분자에서 튕겨져 나올 때 감마선을 방출할 수 있다는 것도 알고 있었습니다.
플로리다에서는 번개가 흔합니다. 이 공격은 1983년 8월 30일 케네디 우주 센터에 있는 우주 왕복선 챌린저호의 발사대에 충돌했습니다.
NASA
그 자체로는 이러한 극단적인 아원자 문제가 폭풍우 구름을 밝히는 빛나는 감마선을 설명할 만큼 풍부하지 않은 것 같습니다. 그러나 드와이어는 하나의 눈사태가 또 다른 눈사태를 일으키고, 또 다른 눈사태가 또 다른 눈사태를 일으킬 수 있는 바로크 과정을 상상했습니다.
드와이어의 과정에 따르면 눈사태 속의 전자 하나가 원자와 충돌하면 전자가 튕겨져 감마선을 방출할 수 있습니다. 그 감마선은 전자와 반물질 쌍둥이인 양전자로 변환될 것입니다. 구름의 전기장은 눈사태가 시작된 곳 가까이로 양전자를 뒤로 밀어냅니다. 거기에서 다른 원자와 충돌하여 또 다른 눈사태를 일으킬 수 있으며, 이로 인해 더 많은 감마선, 더 많은 양전자, 더 많은 눈사태 등이 발생하여 궤도에서 섬광이 보일 때까지 계속됩니다.
현재 뉴햄프셔 대학에 재학 중인 드와이어는 "마이크를 스피커 옆에 붙이는 것과 같다"고 말했다. "정말 빨리 시끄러워질 수 있습니다."
폭주하는 상대론적 눈사태의 더미는 감마선을 설명할 수 있습니다. 그리고 그것은 또한 번개 개시에 기여할 수도 있습니다. 눈사태가 폭포처럼 쏟아지면서 전자가 앞쪽에 쌓이고 그 뒤를 이어 양전하를 띤 이온이 남게 되어 구름의 전기장이 강화됩니다.
컴퓨터 시뮬레이션에서 Dwyer는 이러한 일련의 사건이 눈사태를 증폭시키고, 감마선을 방출하고, 전기장을 증가시킨다는 것을 보여주었습니다. 같은 시기에 얼음 파편에 대한 상세한 시뮬레이션을 통해 얼음 파편이 얼마나 날카로울지(매우 날카롭지는 않음)가 드러났고, 이는 또한 대기수성 이론을 약화시키기 시작했습니다.
그렇다면 드와이어의 폭주하는 상대론적 눈사태가 실제로 구름 속에서 일어났을까요? 그리고 이것이 번개를 일으킬 만큼 전기장을 증가시킬 수 있을까요? 그의 동료들은 분열되었습니다.
