과학자들은 마침내 번개를 유발하는 요인에 대한 미스터리를 해결했습니다.

이 예술가의 상상도에서, 고고도 NASA 정찰기는 뇌운 속 보라색 감마선 섬광을 기록하는 계측 장비를 탑재하고 있습니다. 사진 제공: NASA/ALOFT 팀

과학자들은 번개가 어떻게 발생하는지는 오랫동안 밝혀져 왔지만, 뇌운 내에서 번개를 촉발하는 정확한 대기 현상은 여전히 풀리지 않은 미스터리로 남아 있습니다. 펜실베이니아 주립대학교 전기공학 및 컴퓨터과학대학의 빅터 파스코 전기공학 교수가 이끄는 연구팀이 번개를 촉발하는 강력한 연쇄 반응을 밝혀냄으로써 이 미스터리가 풀릴지도 모릅니다.

7월 28일 지구물리학 저널 에 발표된 연구에서 저자들은 뇌운의 강한 전기장이 질소와 산소와 같은 분자에 충돌하는 전자를 가속화하여 X선을 생성하고 추가 전자와 고에너지 광자의 폭주를 일으키는 과정을 설명했습니다. 이는 번개가 탄생하는 완벽한 폭풍입니다.

"이번 연구 결과는 자연에서 번개가 어떻게 발생하는지에 대한 최초의 정확하고 정량적인 설명을 제공합니다."라고 파스코는 말했다. "이 연구는 X선, 전기장, 그리고 전자사태의 물리학을 연결하는 중요한 단서가 됩니다."

연구팀은 수학적 모델링을 사용하여 지구 대기의 광전 현상에 대한 현장 관측 결과를 확인하고 설명했습니다. 광전 현상이란 우주에서 대기로 유입되는 우주선에 의해 생성된 상대론적 에너지 전자가 뇌우 전기장에서 증식하여 짧은 고에너지 광자 폭발을 방출하는 현상입니다. 지구 감마선 섬광으로 알려진 이 현상은 눈에 보이지 않는 자연 발생적인 X선 폭발과 그에 따른 전파 방출로 구성됩니다.

"현장에서 관찰된 조건을 재현한 모델로 시뮬레이션함으로써 뇌운 내에 존재하는 X선과 전파 방출에 대한 완전한 설명을 제시했습니다."라고 파스코는 말했습니다. "뇌운 내 강한 전기장에 의해 가속된 전자가 질소나 산소와 같은 공기 분자와 충돌하면서 X선을 생성하고, 전자 눈사태를 발생시켜 번개를 유발하는 고에너지 광자를 생성하는 과정을 보여주었습니다."

전기공학 박사과정생인 자이드 페르베즈는 이 모델을 사용하여 지상 센서, 위성 및 고고도 정찰 비행기를 사용하는 다른 연구 그룹이 수집한 현장 관찰 결과를 시뮬레이션된 뇌운의 조건과 일치시켰습니다.

"광전 현상이 어떻게 발생하는지, 전자의 연쇄 반응을 일으키기 위해 뇌운에 어떤 조건이 필요한지, 그리고 낙뢰가 발생하기 전에 구름에서 관찰되는 다양한 무선 신호의 원인은 무엇인지 설명했습니다."라고 페르베즈는 말했습니다. "낙뢰 발생에 대한 저희의 설명을 확인하기 위해, 기존 모델링, 관측 연구, 그리고 일반적으로 뇌운의 작고 국부적인 영역에서 발생하는 밀집 구름간 방전이라는 유형의 낙뢰에 대한 제 연구 결과와 저희의 결과를 비교했습니다."

파스코와 그의 동료들이 2023년에 발표한 이 모델, 즉 광전 피드백 방전(Photoelectric Feedback Discharge)은 낙뢰가 발생할 가능성이 높은 물리적 조건을 시뮬레이션합니다. 이 모델을 만드는 데 사용된 방정식은 논문에 포함되어 있어 다른 연구자들이 자신의 연구에 활용할 수 있습니다.

연구진은 번개가 치는 원리를 밝혀낸 것 외에도 폭풍우가 치는 날씨에 번개가 칠 때 흔히 나타나는 특징인 빛의 번쩍임과 전파 폭발 없이도 지상의 감마선 섬광이 종종 발생하는 이유를 설명했습니다.

"우리 모델링에서 상대론적 전자 사태에 의해 생성된 고에너지 X선은 공기 중 광전 효과에 의해 구동되는 새로운 시드 전자를 생성하여 이러한 전자 사태를 빠르게 증폭시킵니다."라고 파스코는 말했다. "이러한 폭주 연쇄 반응은 매우 조밀한 부피에서 생성될 뿐만 아니라, 매우 가변적인 세기로 발생할 수 있으며, 종종 검출 가능한 수준의 X선을 생성하지만 매우 약한 광학 및 전파 방출을 동반합니다. 이것이 이러한 감마선 섬광이 광학적으로 희미하고 전파가 없는 것처럼 보이는 광원 영역에서 발생할 수 있는 이유를 설명합니다."

파스코와 페르베즈 외에도 공동 저자로는 프랑스 오를레앙 대학교 물리학 교수인 세바스티앙 셀레스틴, 프랑스 에콜 폴리테크니크 연구소 소장인 앤 부르동, NASA 고다드 우주 비행 센터의 전리층 과학자이자 펜실베이니아 주립 대학교에서 파스코 밑에서 박사후 연구원을 지낸 레자 자날리자데, 체코 브르노 공과대학교 전기공학 및 통신 조교수인 야로슬라프 얀스키, 덴마크 공과대학교 천체물리학 및 대기물리학 박사후 연구원인 피에르 구르뱅이 있습니다.

미국 국립과학재단, 국립우주연구센터(CNES), 프랑스 대학연구소, 체코 국방부가 이 연구를 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250801021015.htm