번개의 전기 방전으로 대기 정화물질 생성돼

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-05-03 22:08:50
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(3분 30초 읽기)
- 번개 방전은 높은 전압 발생시켜 대기에서 물 분자 분열시켜 오존과 하이드록실 생성
- 측정용 항공기로 뇌운을 지나치며 전기 및 화학 성분 측정
- HO2의 약 1/3이 번개가 많은 지역 외부의 구름 영역에서 측정돼
- 뇌우에 의해 하이드록실은 지속적으로 생성되고 있다.

번개는 대기 세제를 만든다. 
전기 방전은 예상보다 공기 중에 더 많은 반응성 수산기를 생성한다.


반응성 세정제 :
번개와 보이지 않는 전기 방전은 놀랍도록 많은 양의 대기 산화제(공기 정화에 결정적으로 기여 하는 반응성 산소 화합물)를 생성한다. 결과적으로 번개 방전은 대기에 있는 전 세계 수산기 산화제의 최대 16%를 차지할 것이다. 최근 연구진이 Science 저널에 보고한 내용이다. 

▲ 번개는 엄청난 양의 전기 에너지를 방출할 뿐만 아니라 공기 세척 역할을하는 반응성이 높은 히드록실 라디칼도

생성한다.


뇌운의 방전은 멀리서도 볼 수 있는 엄청난 전압과 번개를 발생시킨다.
그들은 또한 대기에서 다양한 활성 산소 화합물의 형성을 촉매한다.
물 분자의 분열은 오존과 라디칼 하이드록실(OH) 및 하이드로퍼옥실(HO2)을 생성한다.
반응성이 높은 일산화질소(NO)는 이원자 질소 분자(N2)의 분리로부터 여러 단계에 걸쳐 형성된다.

이러한 반응성이 있고 수명이 짧은 화합물은 중요한 대기 세정제로 간주된다.
특히 하이드록실은 많은 대기 오염 물질과 반응해 무해하거나 빠르게 비가 내리는 형태로 전환하는 데 도움이 된다.

폭풍 구름의 윗부분에 높은 하이드록실 수치

새로운 측정은 번개가 이전에 생각했던 것보다 대기 수산기의 지속적인 공급에 더 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 연구를 위해 Pennsylvania State University의 윌리암 브룬(William Brune)과 그의 팀은 며칠 동안 측정 항공기에서 뇌운을 반복해서 날아가고 전기 및 화학 측정을 수행했다. 동시에 번개 활동이 지상에서 기록되었다.

측정 결과 :

특히 폭풍 구름의 윗부분 모루에서 연구자들은 놀랍도록 높은 하이드록실과 HO2 값을 반복적으로 기록했다. 농도의 범위는 수십에서 1000ppt 이상으로 공기 입자 1조당 입자이다. Brune와 그의 팀은 "이 비행까지 대기에서 측정된 최고값은 HO2의 경우 약 150ppt(part per trillion, 일조분의 1), OH의 경우 적은 ppt였다.

초당 수천조 분자

번개 관찰 및 전기 측정과의 비교에서 과학자들은 대기의 이러한 "세제"가 구름의 방전에 의해 직접 생성됐다고 결론지었다. 이 과정에서 눈에 보이지 않는 낮은 임계치 방전은 놀랍게도 이러한 과정에 기여한다. "HO2의 약 1/3이 번개가 많은 지역 외부의 구름 영역에서 측정되었다"라고 Brune과 그의 동료는 보고했다.

▲ 뇌우 중 방전은 공기 중의 질소, 산소 및 수증기 분자를 분리하고 반응성 라디칼을 생성한다.

© Jena Jenkins / Penn State


전반적으로, 그들은 세계의 모든 뇌우가 매초 5x10^28 ~ 5x10^29개의 히드록실 분자(초당 50,000 ~ 500,000조 분자)를 생성한다고 추정한다. 연구팀은 이전에 예상했던 것보다 몇 배 더 높다고 했다. 구름 속의 번개와 보이지 않는 방전은 전체 대기 "세제"의 약 2~16%를 차지할 수 있다.

지금까지 불완전한 모델

이러한 결과는 짧은 수명과 높은 반응성에도 불구하고 대기 중 하이드록실이 결코 사라지지 않는 것처럼 보이는 이유를 설명할 수 있다. 뇌우에 의해 지속적으로 재생산되고 있는 것이다. 지금까지 보이지 않는 전기 방전과 가능한 화학 제품은 현재 모델에서 고려되지 않았다. 빈도가 확인되면 히드록실과 히드로퍼옥실의 형성은 이러한 뇌우 과정에 흡수되어야 한다.

특히 번개가 많은 열대 지방에서는 번개와 보이지 않는 방전이 대기의 자가 정화 능력에 결정적으로 중요 할 수 있다. "우리는 오클라호마와 콜로라도에서만 측정 비행을 했지만 대부분의 뇌우는 열대 지방에 있다"고 Brune은 말했다. “뇌우의 구조는 그곳에서 완전히 다르다. 따라서 결과의 정확성을 높이려면 더 많은 측정 비행이 필요하다.”
(Science, 2021; doi : 10.1126 / science.abg0492)
출처 : Pennsylvania State University 

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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