"번개(천둥)는 어떻게해서 생기는가?"는, 실은....현대의 과학에서도 아직 밝혀지지 않은 것. 이 수수께끼를 해명할 수 있도록, 새롭게 연구자가 은하의 관측에 사용하는 전파 망원경 LOFAR(LOw Frequency ARray/저주파 어레이)를 사용하여, 번개가 발생하는 모습을 고해상도 3D 데이터로 포착했다.
번개에 대한 연구는 옛부터 존재해왔으며, 1752년에는 벤저민 프랭클린이 문어를 이용한 실험에서, 번개의 정체가 전기임을 밝혀냈다. 그러나, 실은 "번개는 어떻게 생기는가"라고하는 수수께끼는 아직 해결되지 않았다.
번개가 생성되는 프로세스의 주류인 가설로서는, "뇌운안에서, 작은 얼음의 결정이 상승해 우박으로서 내릴 때에, 결정안의 부에 대전한 전자가 문질러져 구름의 상부가 확실히 대전, 하부가 부에 대전한다. 이것에 의해 거대한 불꽃을 낳는 전계가 생성된다"라고 하는것이 있다.
그러나, 구름안의 전장은 불꽃을 낳기에는 너무 작다고 말해지고 있고, 실제로 뇌운안에 로켓이나 풍선을 보내 조사해도, 역시 불꽃을 낳는데 충분한 전장은 관측되고 있지 않다고 한다.
번개가 태어나는 수수께끼를 밝히는데 있어서의 과제는, 구름이 불투명하고, 정도가 높은 카메라여도 번개가 태어나는 그 순간을 촬영할 수 없는것에 있다. 그래서 뉴햄프셔대학의 물리학자 인 Joseph Dwyer 교수는 네덜란드에 있는 전파망원경 LOFAR을 이용하기로 했다는 것.
아래가 LOFAR...
LOFAR은 보통, 은하간 가스나 자기 폭풍 같은 우주에서 일어나는 현상을 관측한다. 번개는 빛과 함께 무선펄스를 발산하지만, 무선펄스는 빛과 달리 두꺼운 구름을 통과할 수 있다. LOFAR은 이 무선 펄스 검출하는 것으로, 번개를 고해상도 3차원적으로 매핑 할 수 있다고 한다. 번개를 무선 검출기로 매핑하는 시도는 새로운 것은 아니지만, 대부분은 저해상도로 2차원적이며, 이 점이 LOFAR을 사용한 관측과 다르다.
LOFAR이 관측한 데이터의 애니메이션은 아래 영상.
2018년 8월, 연구팀은 LOFAR를 통해 수집한 데이터를 분석하여, 뇌운 깊이 70m 지점에서 무선 펄스가 생성되고 있음을 밝혀냈다. 연구팀에 따르면, 관찰한 무선 펄스의 패턴은 번개 형성에 대한 두 가지 생각을 지지하다는 것. 하나는 "우주선이 뇌운안의 전자와 충돌해, 전자 눈사태에 의해서 전장이 강화된다"라고 하는 가설. 또 다른 하나는 "얼음의 결정이 충돌하고, 한쪽이 바로, 다른 한쪽이 부로 대전. 정히 대전된 얼음의 한쪽 끝은 공기 중에서 더 많은 전자를 모아, 그것으로부터 "이온화된 공기의 리본", 이른바 스트리머가 늘어나게 된다. 스트리며는 주위의 공기를 가열하고, 공기중에서 보다 많은 전자를 떼어내, 얼음의 결정에 많은 전류를 흐르게 되고, 최종적으로 번개가 형성된다"라고하는 가설이다.
연구자는, 스트리머가 대량으로 형성됨으로써 무선 펄스가 지수 함수적으로 증가하여 전자 눈사태가 멈춘 곳에서 번개가 형성된다고 생각하고 있다. 신종 코로나 바이러스 감염증의 유행에 의해서, 전 세계에서 봉쇄를 한 결과, 얼음 결정의 "핵"이되는, 대기중의 오염물질이 감소. 이 시기, 번개의 발생이 10% 감소한 것이 관측되고 있어, 연구자의 생각은 이 관측 결과와도 일치하는 것으로 생각되는....
다만, 이번 연구에서는, 공기를 이온화하는 얼음의 입자를 직접적으로 비추지 않아, "최초의 전자는 어디에서 오는 것인가", "얼음의 입자 근처에서 방전이 어떻게 일어나는가"라고 하는 것까지는 밝혀지지 않았다.
따라서 스트리머가 어떻게 번개를 만들어 내는지는 아직 수수께끼로 남아있다. 한편, 지금까지 번개의 연구는 고해상도 데이터의 부족에 의해, 정확한 시뮬레이션을 구축할 수 없었기 때문에, 이 연구로 얻을 수 있었던 데이터는 번개 연구의 중요한 한걸음이 된다고 보여지고 있다.
