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- 2018년 5월에 거대한 번개가 구름 꼭대기에서 오클라호마 상공의 전리층으로 분출.
- 일반 번개보다 60배 더 많은 에너지 전달
- 중간 고도에서 과도한 양의 음전하가 축적되어 결국 거대한 제트가 촉발돼

지금까지 측정된 가장 강력한 "상향 플래시"
거대한 제트는 구름 꼭대기에서 전리층으로 엄청난 양의 에너지를 던진다.

극한 방전:
2018년 5월에 거대한 번개가 구름 꼭대기에서 오클라호마 상공의 전리층으로 쏘아 올려 일반 번개보다 60배 더 많은 에너지를 전달했다. 이 "거대 제트(분출)"의 에너지 양과 크기는 지금까지 관찰된 이러한 유형의 "상향 섬광" 크기의 두 배였다고 연구팀은 보고했다. 더 이상한 것은 이 섬광이 이전에 알려진 거대 분출과는 완전히 다른 환경에서 생성되었다는 것이다. 

▲ 드문 경우지만 번개는 위쪽으로 방출된 후 블루 제트 또는 거대 제트로 전리층에 도달할 수 있다. © Gemini Observatory/ NOIRLab; NSF/AURA, A. Smith/ CC-by

번개는 폭풍 구름에서 강한 전하 차이가 형성되고 갑자기 방전될 때 발생한다. 이러한 방전은 일반적으로 구름이나 구름과 지표면 사이를 이동한다. 그러나 번개가 뇌운의 꼭대기에서 위쪽으로 방전되는 경우도 있다. 이 유형의 더 작고 붉은빛을 띠는 방전을 "스프라이트" 또는 고블린 섬광이라고 하며, 더 크고 대부분 푸르스름한 상향 섬광을 "파란 Jet분출”이라고 한다.

소위 Gigantic Jets는 훨씬 더 강력하고 훨씬 희귀하다.

Georgia Tech Research Institute의 레비 보그스(Levi Boggs)와 그의 동료들은 "모든 발광 현상 중에서 거대한 제트가 가장 희귀하고 아마도 가장 장관일 것"이라며 "그들은 상층 대기와 하층 대기 사이에 직접적인 연결을 형성하고 그들 사이에 많은 양의 전하를 전달할 수 있다"고 설명했다. 일반적으로 그러한 거대한 제트는 특히 강하고 번개가 치기 쉬운 난류의 열대 뇌우에서 발생한다.

▲ 그림 1. 뇌우 환경의 위성, 레이더, 낙뢰 데이터. (A) GOES Advanced Baseline Imager 채널 13(IR) 밝기 온도, (B) NEXRAD(Next Generation Weather Radar) 반사율[KFDR, 02:24 세계시(UT)] 및 (C) National Lightning Detection Network 총 낙뢰 밀도 거대한 제트와 관련된 대류 환경. (C)의 빈 크기는 2km x 2km이며 간격은 이벤트 시간 전후로 ±5분. 거대한 제트는 각 패널에 십자로 표시되며 (A)에 표시된 완전히 개발된 제트의 비디오 프레임과 함께 표시된다. (출처: 관련논문 Upward propagation of gigantic jets revealed by 3D radio and optical mapping)

놀라울 정도로 다른 특성을 지닌 거대 제트

2018년 5월 14일 오클라호마 상공에서 관찰된 거대한 제트는 더욱 놀라운 사실이다. 북위 35도에서 발생했으며 이러한 번개가 치는 일반적인 영역을 훨씬 벗어났다. 열대성 폭풍도 관련되지 않았다. 대신에, 거대한 제트는 특별히 강한 열을 포함하지 않고 이전의 정상적인 번개를 생성하지 않으며 상단에 난기류가 없는 뇌운의 상단에서 나타났다고 Boggs와 그의 팀은 보고했다.

▲ 그림 2. VHF 및 레이더 데이터에서 관찰된 뇌우 전하 구조. VHF 추정(A) 폭풍의 중간 수준(4~5km 고도)에서 레이더 반사율(KFDR, 02:24 UT)에 중첩된 중간 음전하 영역(검은색 점) 및 (B) 위쪽 양전하 영역(흰색 점) ) 폭풍의 상층(9~10km 고도)에서 레이더 반사율(KFDR, 02:24 UT)에 중첩된다. 흰색과 검은색 선은 각각 서-동(C) 및 남북(D) 수직 단면이 있는 위치를 나타낸다. (C)와 (D)의 주황색 점은 거대 제트가 전리층으로 올라갈 때 VHF 포인트입니다. (출처: 관련논문 Upward propagation of gigantic jets revealed by 3D radio and optical mapping)

연구팀은 "이 지역은 이전에 문서화된 거대 제트기의 기원 지역에서 이러한 모든 특징을 벗어났다"고 설명했다. 이 이상값이 어떻게 발생하고 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알아내기 위해 여러 위성과 번개의 전파 방출을 전문으로 하는 측정 네트워크의 데이터를 평가했다.

이전의 모든 것보다 거의 두 배 강함

데이터는 다음과 같이 밝혔다. 거대하고 희끄무레한 빛을 내는 제트는 약 20km 고도의 구름 꼭대기에서 밀리초 이내에 낮은 전리층까지 질주했다. 그것의 기원 지역은 60 x 60 킬로미터의 면적을 커버했으며, 번개는 상부 양의 구름층과 중간 음의 구름층 사이에서 정상적인 방전으로 시작됐다. 그러나 번개는 내려오는 대신 고도 40km 이상까지 치솟았다.

거대한 제트기는 빛나는 분수와 유사한 라디오 및 광학 범위에서 강력한 복사 방출을 생성했다. 동시에 이 상향 섬광은 약 300쿨롱의 엄청난 양의 에너지를 전리층으로 운반했다. Boggs와 그의 동료들은 "이것은 이전에 알려진 모든 Gigantic Jets의 거의 두 배다"라고 보고했다. 일반적인 구름에서 지상으로의 플래시는 평균적으로 약 5쿨롱만 전송한다.

▲ 그림 3. 거대한 제트를 생성한 대류 영역의 진화. 3D 표면(녹색)은 KFDR 레이더(Frederick, OK, USA)에서 4회의 연속 볼륨 스캔에 대한 30dBZ 레이더 에코를 나타낸다. 각 볼륨 스캔의 시작 시간은 (A) 02:10 UT, (B) 02:15 UT, (C) 02:20 UT, (D) 02:24 UT입니다. (D)에서 검은색 점은 초기 상향 탈출에서 VHF 방출이고 흰색 점은 위쪽 양전하 영역(화살표로 표시됨)을 나타내며 주황색 점은 방전이 전리층을 향해 상승할 때 방출된다. 회색 평면은 레이더 에코 클라우드 상단을 나타낸다.(출처: 관련논문)

비정상적인 형성 조건

그런데 이 비정상적으로 강한 상향 플래시는 어떻게 생겨난 것일까?
"이 제트의 극도의 강도는 그것을 생성한 뇌우의 독특한 구조의 결과로 보인다"라고 연구자들은 기술했다. 그들은 아마도 음전하를 띤 얼음 결정이 가라앉거나 다른 고도에서 서로 다른 방향으로 부는 측방향 전단풍으로 인해 중간 고도에서 구름에 비정상적으로 광범위하고 강한 음전하 영역이 형성되었다고 생각한다.

동시에 양전하를 띤 구름층은 강하지만 국부적으로 제한된 상향류에 의해 찢어져 전하 분리와 거대한 전기장이 형성되었다. 이것은 전압이 표면으로 튀는 일반적인 번개에서 스스로 방전할 수 없다는 사실 때문에 악화됐다. "Gigantic Jet 이후 약 4분까지 구름에서 땅으로 떨어지는 번개는 없었다. 이로 인해 중간 고도에서 과도한 양의 음전하가 축적되어 결국 거대한 제트가 촉발되었다”고 연구팀은 보고했다.
(Science Advances, 2022; doi:10.1126/sciadv.abl8731)
출처: Science Advances, Georgia Tech Research Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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