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- 소위 도깨비불은 밤에 늪지대와 묘지 위에 자주 나타난다.
- 이 "이그니스 파투스(Ignis fatuus)"는 수 세기 동안 악명을 떨쳐 왔다.
- 신화에 따르면 이 빛은 자연의 정령, 도깨비, 또는 죽은 자의 영혼에서 비롯된다고 함
- 메탄 미세 기포가 물속에서 상승하여 결국 공기와 접촉하면서 폭발
- 젖은 땅에서 솟아오르는 작은 기포의 곡선 경계면에서 발생하는 자발적 방전

도깨비불의 원인 규명
미세 번개로 인한 늪지대의 푸른 메탄 불꽃

소위 도깨비불은 밤에 늪지대와 묘지 위에 자주 나타난다. 연구원들은 이 푸른 메탄 불꽃의 발화 원인을 밝혀냈다. 젖은 땅에서 솟아오르는 작은 기포의 곡선 경계면에서 발생하는 자발적 방전이다. 이 기포들이 서로 접촉하면 축적된 전하 차이로 인해 방전이 발생한다. 이로 인해 미세 번개가 발생하고 메탄가스가 점화된다. 

▲ 습지 위에 나타난 도깨비불의 상징적 이미지. © inusuke/

늪지대, 묘지, 습지, 그리고 기타 습지대 위에 밤에 약한 청자색 불꽃이 반복적으로 나타난다. 도깨비불 또는 늪지대 불빛으로 더 잘 알려진 이 "이그니스 파투스(Ignis fatuus)"는 수 세기 동안 악명을 떨쳐 왔다. 신화에 따르면 이 신비로운 빛은 자연의 정령, 도깨비, 또는 죽은 자의 영혼에서 나온다고 한다.

하지만 유령처럼 푸른 빛에 대한 더 평범한 설명이 있다. 이 현상은 유기물이 토양에서 분해되어 메탄을 함유한 습지 가스를 형성할 때 발생한다. 이 메탄은 연소되어 젖은 땅 위로 떠다니는 것처럼 보이는 푸른 불꽃을 생성한다. 그러나 바이오가스가 어떻게 서늘한 밤에 열원 없이 자연적으로 발화할 수 있는지는 지금까지 밝혀지지 않았다.

상승하는 가스 기포 충전

우한 장한 대학교의 위샤(Yu Xia)가 이끄는 연구진은 이 미스터리를 조사했다. 이를 위해 그들은 일종의 도깨비불 장치를 제작하고 실험실에서 이 현상을 모방했다. 그들은 물통의 노즐을 통해 메탄을 함유한 공기에서 무수한 작은 기포를 생성하는 발전기를 개발했다. 그들은 고속 카메라로 이 현상을 촬영한 후 녹화된 영상을 분석했다.

이를 통해 메탄 미세 기포가 물속에서 상승하여 결국 공기와 접촉하면서 폭발한다는 것을 보여주었다. 메탄가스와 액체 사이의 곡선 경계면에 전하가 축적되었다. 이러한 기포들이 상승, 병합, 또는 분리될 때 서로 충돌하면 전하 분리가 발생할 수 있다. 반대 전하를 가진 기체 기포가 생성된다.

▲ 미세기포 사이의 미세번개. (A) 광학적 접근을 이용한 메탄-공기 버블링 실험 장치. 탱크 내 버블 영역을 관찰하기 위해 배치된 측면 20배 현미경 렌즈를 통해 이미징이 수행된다. 화살표는 흐름 방향을 나타낸다. (B) 두 개의 인접한 버블이 접근하는 모습과 0.05ms에서 포착된 국부적인 섬광을 보여주는 개략도(위)와 고속 프레임(아래). (스케일 바, 150µm)(출처:Unveiling ignis fatuus: Microlightning between microbubbles / September 29, 2025 / PNAS)

미니 스파크가 메탄을 점화한다.

도깨비불 현상의 중요한 단계는 이웃 거품이 터지거나 합쳐질 때 전기장이 자발적으로 방전되어 작은 불꽃을 생성하는 것이다. 영상에서는 이러한 스파크가 짧은 마이크로 섬광으로 나타났다. 그러나 실험실 실험에서 나타났듯이 이 현상은 많은 수의 메탄 기포가 동시에 상승하여 서로 가까워질 때만 발생한다.

기포들 사이에서 튀어 오르는 스파크는 방출된 메탄가스가 자발적으로 점화되는 데 필요한 에너지를 제공한다. 결과적으로, 샤의 연구팀이 설명했듯이 가스는 국부적으로 타오르고 열을 추가하지 않아도 연소된다. 이로 인해 청자색 발광을 가진 전형적인 차가운 불꽃이 생성된다.

▲ 고밀도 기포 발생 조건에서 인접한 메탄-공기 미세기포 사이에서 발생하는 여러 개의 자발적 방전(미세 번개) 현상을 보여주는 영상. 이 영상은 고속 카메라(Photron T2410)를 사용하여 초당 24,000프레임(fps)으로 녹화되었다. 0.5초의 실시간 영상을 실제 속도보다 8,000배 느린 3fps로 재생하여 시야 전체에 분포된 밀리초 미만의 섬광 현상을 강조한다. (출처:Unveiling ignis fatuus: Microlightning between microbubbles / September 29, 2025 / PNAS)

점화 스파크는 다른 기체 기포에서도 발생

이로써 연구진은 최초로 이 신비로운 도깨비불 현상에 대한 그럴듯한 설명을 발견했다. 그들은 습지에서 발생하는 메탄의 완전한 자연 발화원이 존재한다고 제안한다. 샤(Xia)와 그의 동료들은 "우리의 연구 결과는 'Ignis fatuus'의 과학적 근거를 제공하고, 전기화된 계면이 외부 발화원 없이 자연 환경에서 산화환원 반응을 유도할 수 있는 일반적인 메커니즘을 보여준다"고 기술했다.

▲ 버블링 중 광학, 열 및 제품 측정. (A) 공기 및 메탄-공기 버블링 중 실시간 포토다이오드 전류 기록. (B) 동일 조건에서 획득한 보정된 광자 계수 추적(초당 횟수). (C) 배경, 공기 및 메탄-공기 버블링 하에서 수집한 방출 스펙트럼. (D) 버블링 중 벌크 물과 펌프의 동시 온도 모니터링. (E) 버블링 전후에 기록된 헤드스페이스 질량 분석 신호(상대 강도). (F) 선택된 채널에 대한 정규화된 질량 분석 신호의 시간 변화. (출처:Unveiling ignis fatuus: Microlightning between microbubbles / September 29, 2025 / PNAS)

또한 이 실험은 이러한 마이크로플래시가 순수 공기 또는 공기-수소 혼합물을 포함한 다른 가스 혼합물에서 발생하는 기포에서도 발생한다는 것을 보여주었다. 따라서 습한 환경에서 기포의 전하와 방전은 일반적인 자연 현상이. 연구팀은 이것이 발화 또는 다른 산화환원 반응으로 이어지는지는 가스의 구성과 환경에 따라 달라진다고 설명했다. 메탄을 함유한 습지 가스의 경우, 도깨비불 현상이 발생한다.

참고: Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; doi: 10.1073/pnas.2521255122

출처: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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