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- 뇌우 중에 방전, 최대 10만 암페어의 전류 가진 번개 발생, 주변 공기를 3만도까지 가열
- 육안으로 볼 수 없으나, 카메라에 뇌우 치는 동안, 나무에서 선명한 방전 현상 기록돼
- 불꽃은 3초 이전에 꺼져. 이 작은 방전은 다른 잎의 끝으로 반복적으로 옮겨 다니면서 나뭇가지나 나무 꼭대기 전체를 ​​자외선으로 물들인다.
- 자외선 세인트 엘모의 불, "대기 세정제" 생성

뇌우가 나무를 빛나게 하다
전기 방전으로 나뭇잎 끝에서 이전에는 감지되지 않았던 자외선 불꽃이 생겨난다

보이지 않는 반짝임:
뇌우가 몰아칠 때 나뭇잎 끝에서 미세한 자외선 불꽃이 생겨나는데, 이는 이전에는 관찰되지 않았던 현상이다. 마치 성 엘모 불꽃(St. Elmo's fire)처럼 보이는 이 자외선 불꽃은 수명이 짧지만, 초기 이미지에서 볼 수 있듯이 잎에서 잎으로 옮겨 다닌다. 이는 이러한 자외선 코로나 현상이 거의 모든 뇌우에서 발생한다는 것을 시사한다. 만약 우리가 자외선을 볼 수 있다면, 나무 꼭대기와 숲은 기묘한 푸른빛으로 반짝일 것이다. 동시에, 이러한 자외선 불꽃은 중요한 화학적 효과도 가져온다. 

▲ 천둥번개가 칠 때, 전기 방전으로 인해 나뭇잎 끝에서 작은 자외선 불꽃이 발생한다. © William Brune

뇌우 중에 강력한 전기 방전이 일어난다는 것은 새로운 사실이 아니다. 이러한 방전은 최대 10만 암페어의 전류를 가진 번개를 발생시키고, 주변 공기를 섭씨 3만도까지 가열하며, X선, 감마선, 그리고 반물질을 방출한다. 폭풍 구름 위에서는 방전으로 인해 스프라이트, "녹색 유령", 또는 푸른 광선과 같은 더욱 특이한 발광 현상이 발생할 수 있다.

세인트 엘모의 불은 생각보다 흔한 현상일까?

뇌우와 관련된 또 다른 발광 현상이 있는데, 바로 세인트 엘모의 불이다. 이 작고 보라색으로 빛나는 코로나 현상은 피뢰침, 돛대 꼭대기, 나무 꼭대기와 같이 뾰족하고 곧게 뻗은 물체에 나타난다. 뭉치처럼 보이는 이 빛은 길이가 30~50cm에 달하고 1분 이상 지속될 수 있다. 세인트 엘모의 불은 수 세기 동안 알려져 왔지만 비교적 드물게 발생한다. 이 현상은 뇌우가 칠 때 공기가 고도로 대전될 때만 나타난다.

하지만 이러한 최대 방전이 나무나 일반적인 뇌우에서도 발생하는지, 그리고 어떤 형태로 발생하는지에 대해서는 논쟁이 있었다. 펜실베이니아 주립대학교의 주 저자인 패트릭 맥팔랜드(P.I.McFarland)는 "완전히 어두운 실험실에서도 이러한 코로나는 거의 보이지 않으며 희미한 푸른빛을 낸다"고 설명했다. 연구에 따르면 이러한 빛은 나무와 숲에서도 발생하지만, 가시성이 떨어져 확실하게 기록되지는 못했다.

▲ 점들은 천둥번개가 칠 때 나무 가지 끝에 설치된 카메라가 감지한 자외선 신호를 나타낸다. © MacFarland et al./ Geophysical Research Letters, CC-by 4.0

 

잎 끝의 자외선 섬광

하지만 이제 상황이 달라졌다. 맥팔랜드와 그의 연구팀은 세인트 엘모 화재 탐색을 위해 특별히 차량을 개조했다. 차량에는 전기장 센서, 레이저 측정 장치, 그리고 회전식 잠망경에 연결된 자외선 카메라가 장착되었다. 이 카메라는 주변광과 번개가 치는 상황에서도 코로나 발광 현상을 감지하고 기록하는 데 도움이 되도록 설계되었다. 연구팀은 노스 코랄리나(North Coralina)와 미국 여러 주에서 발생한 뇌우를 관찰했다.

실제로, 육안으로는 아무것도 볼 수 없었지만, 카메라에는 뇌우가 치는 동안, 심지어 처음 관찰 대상으로 삼았던 나무에서도 선명한 방전 현상이 기록되었다. 맥팔랜드 연구팀은 "1시간 30분 동안 이 단풍나무는 여러 가지에 걸쳐 41개의 코로나 클러스터로 이루어진 859개의 자외선 신호를 발생시켰다"고 보고했다. 유사한 현상이 다양한 침엽수에서도 관찰되었다.

잎에서 잎으로 옮겨 다니는 자외선 불꽃

영상을 자세히 분석한 결과, 이 빛나는 현상은 개별 잎의 끝에서 점화되는 아주 작은 자외선 불꽃으로 이루어져 있음이 밝혀졌다. 각각의 불꽃은 3초도 채 되지 않아 꺼졌다. 이러한 작은 방전은 다른 잎의 끝으로 반복적으로 옮겨 다니면서 나뭇가지나 나무 꼭대기 전체를 ​​자외선으로 물들인다.

맥팔랜드는 "만약 우리가 초인적인 시력을 가지고 있다면, 천둥 번개가 칠 때 거의 모든 나무에서 이 빛과 반짝임을 볼 수 있을 것이다"며, "마치 수천 마리의 반딧불이가 나무 사이를 뛰어다니는 듯한 인상적인 빛의 향연이 펼쳐질 것이다"고 말했다. 관측과 추가적인 실험실 실험 결과에 따르면, 천둥번개가 강할수록, 그리고 대기 중의 전기 전하가 높을수록, 자외선으로 이루어진 '성 엘모의 불' 현상은 더 밝고 빈번하게 발생한다.

자외선 세인트 엘모의 불, "대기 세정제" 생성

이번 관측은 자외선 세인트 엘모의 불이 자연에서 드문 현상이 아니라 뇌우가 칠 때 거의 모든 나무에서 발생할 수 있음을 처음으로 보여준다. 우리 눈에는 보이지 않지만, 이 현상으로 인해 숲 전체가 푸른빛으로 빛나고 반짝이는 것으로 추정된다. 연구진은 "더욱이, 이러한 코로나의 짧은 수명과 잎에서 잎으로의 이동을 보여주는 최초의 관측 결과"라고 밝혔다.

▲ 가문비나무 잎 끝에서 나타나는 이 보라색 불꽃은 실험실 실험 중에 촬영된 것이다. © William Brune

수많은 자외선 세인트 엘모의 불은 중요한 화학적 효과도 나타낸다. 피뢰침이나 다른 인공 구조물에서 발생하는 세인트 엘모의 불에 관한 연구는 이러한 방전이 "대기 세정제"로서 중요한 역할을 하는 반응성이 높은 화합물인 수산화 라디칼을 생성한다는 것을 이미 보여주었다. 맥팔랜드와 그의 연구팀의 이번 관측은 나무 또한 뇌우가 칠 때 수산화 라디칼을 생성한다는 것을 시사한다.

자외선 화염이 나무에 손상을 줄까?

미세한 자외선 화염이 나뭇잎과 나무에 손상을 주는지에 대한 질문은 여전히 ​​미해결 상태다. 이러한 방전은 나뭇가지와 잎을 통해 수백 마이크로암페어(㎂)의 전류를 흘려보낼 수 있다. 연구팀은 화분에 심은 나무를 대상으로 한 실험실 실험에서 인위적으로 방전을 가했을 때, 섬세한 잎 끝부분에 약간의 화상 자국이 나타났다고 보고했다. 맥팔랜드는 "다음 연구에서 다루고 싶은 질문은 바로 이것이다. 자외선 코로나가 나무와 숲 전체에 어떤 영향을 미치는지 알아보고 싶다"고 말했다.

참고: Geophysical Research Letters, 2026; doi: 10.1029/2025GL119591
출처: American Geophysical Union

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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