대부분의 열대 번개 폭풍은 방사능이 있습니다

1990년대에 초신성과 다른 천체에서 나오는 고에너지 입자를 감지하기 위해 제작된 NASA 위성은 놀라운 사실을 발견했습니다. 바로 지구에서 나오는 고에너지 감마선 폭발이었습니다.

연구자들이 이 방사성 초전하 입자가 뇌우에서 온다는 것을 알아내는 데 오랜 시간이 걸리지 않았지만, 이 현상이 얼마나 흔하게 일어나는지는 여전히 미스터리로 남아 있었습니다. 위성은 지구에서 오는 감마선을 찾기 위해 만들어진 것이 아니었고, 그렇게 하려면 적절한 시기에 적절한 장소에 있어야 했습니다.

수년간 이 작업에 이상적이지 않은 플랫폼으로 만족한 과학자 그룹은 NASA가 소유한 개조된 U2 정찰기를 폭풍 위로 날려 제대로 살펴볼 기회를 얻었습니다. 10월 3일 Nature 에 발표된 두 편의 새로운 논문에서 연구팀은 뇌우에서 생성되는 감마선이 누구나 생각했던 것보다 훨씬 흔하며, 이 방사선을 생성하는 역학에는 아직 풀리지 않은 신비의 보고가 있다는 것을 발견했습니다.

"뇌우에는 우리가 상상했던 것보다 훨씬 더 많은 일이 일어납니다."라고 듀크 대학교의 윌리엄 H. 영거 공학 명예 교수이자 두 논문의 공동 저자인 스티브 커머가 말했습니다. "실제로 모든 큰 뇌우는 하루 종일 다양한 형태로 감마선을 생성합니다."

뇌우가 감마선의 고에너지 섬광을 생성하는 일반적인 물리학은 미스터리가 아닙니다. 뇌우가 발생하면 소용돌이 모양의 기류가 물방울, 우박, 얼음을 혼합물로 몰아넣어 셔츠에 풍선을 문지르는 것과 매우 유사한 전기적 전하를 생성합니다. 양전하 입자는 폭풍의 꼭대기에 도달하고 음전하 입자는 바닥으로 떨어져 1억 개의 AA 배터리를 끝에서 끝까지 쌓은 것만큼 강한 엄청난 전기장을 생성합니다.

전자와 같은 다른 대전된 입자가 그렇게 강한 장에 놓이면 가속됩니다. 충분히 높은 속도로 가속되어 공기 분자에 부딪히면 더 많은 고에너지 전자를 떨어뜨립니다. 충돌이 핵 반응을 일으킬 만큼 충분한 에너지를 가질 때까지 이 과정은 계속되어 매우 강하고 매우 빠른 감마선, 반물질 및 기타 형태의 방사선 섬광을 생성합니다.

하지만 뇌우 감마선 이야기는 여기서 끝나지 않습니다. 뇌우 근처를 비행하는 항공기도 구름에서 나오는 희미한 감마선 빛을 보았습니다. 이 폭풍은 저수준의 감마선을 끓게 할 만큼 충분한 에너지를 가지고 있는 듯하지만, 무언가가 터지는 옥수수 알갱이처럼 폭발적인 폭발을 일으키지 못하게 막고 있습니다.

"몇몇 항공기 캠페인은 이런 현상이 흔한지 아닌지 알아내려고 했지만, 엇갈린 결과가 나왔고, 미국 전역의 여러 캠페인에서는 감마선을 전혀 발견하지 못했습니다."라고 커머는 말했습니다. "이 프로젝트는 이런 의문을 단번에 해결하기 위해 고안되었습니다."

연구 그룹은 NASA ER-2 고고도 공중 과학 항공기의 사용을 확보했습니다. 냉전에서 남은 개조된 U2 정찰기는 상업용 항공기보다 두 배나 높은 고도를 날고 대부분 뇌우보다 약 3마일 더 높습니다. 또한 매우 빠르기 때문에 팀은 결과를 낼 가능성이 가장 높다고 생각되는 정확한 뇌우를 선택할 수 있는 기회를 얻었습니다.

"ER-2 항공기는 뇌운에서 나오는 감마선을 관측하는 최고의 플랫폼이 될 것입니다." 노르웨이 베르겐 대학교의 우주 물리학 교수이자 이 프로젝트의 수석 연구원인 니콜라이 외스트가르드가 말했습니다. "20km[12.4마일] 고도에서 비행하면 감마선 근원에 최대한 가까이 구름 꼭대기 위를 직접 날 수 있습니다."

ER-2가 완벽한 솔루션이었고 팀이 적절한 폭풍 위를 날았기 때문에 연구자들은 이런 현상이 드물다면 거의 볼 수 없을 것이라고 생각했습니다. 하지만 흔하다면 많이 볼 수 있을 것이라고 생각했습니다.

그리고 그들은 많은 것을 보았습니다.

ER-2는 한 달 동안 플로리다 남쪽의 열대 지방에서 큰 폭풍 위를 10번 비행했고, 그 중 9번에서 감마선의 끓는 현상을 관찰했습니다. 감마선은 예상보다 더 역동적이었습니다.

"감마선을 띤 뇌운의 역학은 이전의 준정지 상태의 빛 그림과 극명하게 모순되며, 패턴과 행동 모두에서 거대한 감마선을 띤 끓는 냄비의 모습과 유사합니다." 베르겐 대학교의 물리 및 기술 교수인 마르티노 마리살디의 말입니다.

열대 지방의 전형적인 뇌우의 크기를 감안하면, 다른 위도의 뇌우보다 훨씬 더 크므로, 열대 지방의 모든 뇌우의 절반 이상이 방사능이 있다는 것을 시사합니다. 연구자들은 이 저수준의 감마선 생성이 물 한 냄비에서 끓는 증기와 같은 작용을 하며, 그 안에 축적할 수 있는 에너지의 양을 제한한다고 가정합니다.

연구원들은 같은 뇌우에서 나오는 짧은 지속 시간과 강렬한 감마선 폭발의 수많은 예를 보고 똑같이 흥분했습니다. 이 중 일부는 원래 NASA 위성에서 감지한 것과 정확히 같았습니다. 이는 거의 항상 활발한 번개 방전과 함께 발생했습니다. 이는 번개에 의해 생성된 큰 전기장이 이미 고에너지인 전자를 과충전하여 고에너지 핵 반응을 생성할 수 있음을 시사합니다.

하지만 이전에 본 적이 없는 다른 두 가지 유형의 짧은 감마선 폭발도 있었습니다. 한 유형은 엄청나게 짧아서 1천 분의 1초도 안 되고, 다른 유형은 약 10분의 1초 동안 반복되는 약 10개의 개별 폭발 시퀀스입니다.

"저는 이 두 가지 새로운 형태의 감마선이 가장 흥미롭다고 생각합니다."라고 커머는 말했습니다. "그것들은 번개 섬광을 발달시키는 것과 관련이 없는 것 같습니다. 그것들은 어떻게든 자발적으로 나타납니다. 그것들이 과학자들에게 여전히 미스터리인 번개 섬광을 시작하는 과정과 실제로 연결되어 있을 수 있다는 힌트가 데이터에서 발견됩니다."

감마선 때문에 헐크로 변하는 것을 걱정하는 사람이 있다면, 그럴 필요가 없다고 커머는 덧붙였다. 생성되는 방사선의 양은 사람이나 물체가 발생원에 아주 가까이 있는 경우에만 위험할 것이다.

"당신이 그곳에 있다면 방사능은 당신의 문제 중 가장 사소한 일일 것입니다. 비행기는 극심한 난류와 바람 때문에 활발한 뇌우 코어에서 비행하는 것을 피합니다."라고 커머는 말했습니다. "지금 우리가 알고 있는 것을 알고 있더라도, 나는 예전보다 비행에 대해 더 이상 걱정하지 않습니다."

본 연구는 유럽연합 제7차 프레임워크 프로그램(FP7/2007-2013)/ERC 보조금 계약 번호 320839에 따라 유럽 연구 위원회의 지원을 받았으며, 노르웨이 연구 위원회의 계약 번호 223252/F50(CoE) 및 계약 번호 325582에 따라 지원되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241002123025.htm