천둥 구름이 입자가속기를 만든다?

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-04-16

뇌우가 일어나는 동안에 거대한 천연 입자 가속기가 지표면으로서 약 40km고도에서 형성될 수 있음을 베스대학교(University of Bath)의 번개 연구자들은 발견하고 있다. 4월 14일, Martin Fullekrug박사는 자신의 새로운 연구 결과를 왕립천문학회의 전국 천문학 대회(RAS National Astronomy Meeting, NAM 2010)에서 발표했다. 이 미팅은 글래스고(Glasgow)에서 개최되었다. 뇌우의 강한 번개 방전과 우주에서 오는 고에너지 입자(우주선, cosmic ray)가 동시에 발생할 때, 거대한 입자가속기를 형성하는 조건이 뇌우 위에서 생성된다. 우주선은 공기 분자로부터 전자를 제거하고, 이 전자들은 번개의 방전 전기장에 의해 상부로 가속도가 붙는다. 그 후 자유전자와 방전 전기장은 천연 입자가속기를 만든다. 가속 전자는 그 후 좁은 입자 빔으로 되는데, 이 빔은 가장 낮은 대기(대류권)에서 중부대기(middle atmosphere)를 통해 지구 중력장 근처까지 전파된다. 이곳에서 강렬한 전자는 지구 복사대에서 잡히며, 결국에는 궤도 위성에게 문제를 일으킬 수 있다. 이 현상은 매우 강렬한 이벤트로서 눈 깜박할 사이(매우 짧은 시간)에 발생하며 전자빔의 전력은 작은 핵발전소의 전력만큼이나 클 수 있다. 천연 입자 가속기의 높이를 결정하는 비책은 입자 빔이 방출하는 전파를 이용하는 것이라고 Fullekrug박사는 설명했다. 공동 연구자인 Robert Roussel-Dupre박사가 컴퓨터 시뮬레이션을 하여 전파를 예측했다. Robert박사는 로스 알라모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 슈퍼컴퓨터 시설을 이용했다. 덴마크, 프랑스, 스페인, 영국이 포함된 유럽 과학자들은 강렬한 번개 방전을 남부 프랑스에서 발견하는 작업에 도움을 주었다. 이 방전으로 인해 천연 입자가속기가 형성되었다. 과학자들은 뇌우의 상부를 비디오 카메라로 모니터링 했으며 번개 방전을 보고했다. 이 방전은 요정으로 알려진 순간적인 야광을 뇌우 위에서 생성할 만큼 강하다. 요정(순간적인 야광)의 작은 일부분은 입자 빔과 동시에 발견되었다. 스코틀랜드의 물리학자이면서 노벨상을 수상한 찰스 윌슨(Charles Thomson Rees Wilson)이 1925년에 뇌우 상부의 번개 방전을 생각한 이후, 뇌우 상부 지대는 천연 입자가속기로 짐작되고 있다. 차기 수년 동안에 5개의 인공위성(TARANIS, ASIM, CHIBIS, IBUKI, FIREFLY) 미션이 강렬한 입자 빔을 직접적으로 관측할 수 있을 것이다. "우리 머리로부터 단지 조금 위에서 생성되는 천연입자가속기를 관찰하는 것은 흥미로운 일이다. 일단 새로운 연구가 우주에서 더 자세히 진행되면, 이 현상들이 실질적으로 어떻게 작용하는 지에 대해 매우 좋은 아이디어를 얻게 될 것이다. 천연입자가속기는 지구와 더 넓은 우주 사이의 매력적인 상호반응의 사례이다."라고 Fullekrug박사는 전했다. 한편 플로리다 공과대학교의 연구자들은 자연계의 큰 미스터리(뇌우가 어떻게 번개를 만드는 가)를 해결하고자 연구를 수행했다(2009). 번개는 거대한 스파크이며 다른 스파크처럼 거동하지만, 때때로 스파크와는 다른 방식으로 거동한다. 플로리다 대학교의 과학자들은 지상에서 뇌우 전기장을 원격 측정할 수 있는 새로운 기법을 개발했다. 연구자들은 뇌우를 지나는 우주선이 만든 작은 전파펄스를 측정함으로써, 고에너지 입자 경로를 따르는 전기장을 재현할 수 있었다. "우주선은 외계 우주에서 우리 행성으로 낙하하는 고에너지의 입자들이다. 이들은 뇌우를 측정하는 자연적인 기기를 만든다. 뇌우는 크고 폭력적이며 위험하다. 우주선 공기 샤워를 통해 우리는 상대적으로 안전한 지상에서 뇌우를 연구할 수 있다."라고 연구자는 전했다. Thunderclouds.jpg 출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100413202850.htm