지구의 세 번째 에너지장 발견 (영상)
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-08-31 21:08:05
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- NASA 로켓 임무로 처음으로 우리 행성의 양극성 장을 감지
- 1960년대 지구의 두 극에서 양성자의 흐름이 초음속으로 우주로 뻗어나가는 극풍 발견
- 광전자 분광계를 NASA 로켓을 사용 2022년 5월 스발바르에서 극대기권으로 발사
- 화성, 금성 및 기타 많은 행성에도 이러한 세 번째 에너지장이 있을 수 있다.
1960년대에 연구자들은 이상한 점을 발견했다. 지구의 두 극에서 양성자의 흐름이 초음속으로 우주로 뻗어나가 소위 극풍을 형성한다는 것이다. 하지만 그것을 움직이는 것은 무엇일까? 햇빛이나 자기장의 에너지는 이온화된 수소를 가열해야 하기 때문에 모터로 사용할 수 없다는 사실이 빠르게 밝혀졌다. 그러나 극지방 바람 입자는 차갑다. 그러면 무엇이 양성자를 그렇게 빠르게 만들어서 지구의 중력을 벗어날 수 있게 만드는 걸까?
정전기장이 원동력이 되나요?
NASA의 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)의 수석 저자 글린 콜린슨(Glyn Collinson)은 “뭔가가 이러한 입자를 대기 밖으로 발사해야 한다”고 말했다. 그러나 과학자들은 60년 동안 이 극지방 바람의 “엔진”에 대해 의구심을 품어 왔다.
Collinson과 그의 팀은 “열에너지에 의해 구동되는 전리층 전자가 우주로 탈출하려고 하기 때문에 이러한 장이 발생한다”고 설명했다. 그러나 양전하를 띤 원자 선체는 그것들을 제자리에 고정시킨다. 이러한 전하 효과의 결과로 전자와 양으로 하전된 이온 사이에 약한 양방향 및 양극성 전기장이 생성된다. 문제는 지금까지 수백 킬로미터 고도의 현장에서 이 약한 자기장을 감지하고 이를 다른 전기 효과와 구별할 만큼 민감한 측정 장비가 부족했다는 것이다.
겨우 0.55Volt?
이제는 바뀌었다. 임무를 수행하기 위해 Collinson과 그의 팀은 가장 약한 전기장도 감지할 수 있는 광전자 분광계를 개발했다. 다른 측정 장비와 함께 그들은 NASA 로켓을 사용해 2022년 5월 스발바르에서 극대기권으로 이 탐지기를 발사했다. 고도 768km에 도달한 이번 비행 동안 NASA의 '인듀런스(Endurance)' 임무도 신비한 극풍이 발원하는 지역을 횡단했다.
임무는 실제로 찾고 있던 것을 발견했다. 고도 250~768km에서 측정 장비는 정전기장의 표시인 +0.55V의 전위 강하를 감지했다. Collinson은 "0.5V는 거의 아무것도 아니다. 시계 배터리만큼의 세기다"며 "그러나 이 값은 극지방의 바람을 설명하는 데 정확히 들어맞는다. 이 잠재력은 외부로 분출되는 전자에 의해서만 생성된다"고 말했다.
극풍 엔진 식별
따라서 연구자들은 오랫동안 가정되어 온 지구의 "제3의 에너지장"을 입증했으며 극풍의 수수께끼를 풀었다. 따라서 우리 행성은 중력과 자기장 외에 세 번째 에너지장, 즉 전역 양극성 장을 가지고 있다. 한편으로, 이 약한 정전기장은 전리층에 플라즈마 전자를 보유하고 있다. 반면에 전자의 인력은 이 플라즈마 층의 가벼운 양성자를 들어 올리기에 충분하다. 즉, 본질적으로 전자에 의해 양성자가 위쪽으로 끌어 당겨진다.
연구원들이 확인한 바에 따르면, 이 양력은 이 높이에서 양성자에 작용하는 중력보다 약 10.6배 더 강하다. Collinson의 동료인 Alex Glocer는 “이것은 지구의 중력을 극복하고 초음속으로 양성자를 우주로 방출하기에 충분하다”고 설명했다. 그들의 측정은 양극성 전기장이 양성자와 가벼운 이온으로 구성된 초음속 극풍의 엔진이라는 가정을 뒷받침한다.
전리층을 위한 “엘리베이터”
그러나 이것이 전부는 아니다. 새로 발견된 장은 또한 지구의 전리층 구조를 형성한다. 외부로 분투하는 전자는 이 층의 더 무거운 양이온을 우주로 운반할 수 없지만, 전자의 인력은 또한 양력을 제공한다. 연구진은 “우리는 극관의 산소 이온(O+)에 대한 양극성 장의 영향을 정량화했다. 이 장으로 인해 그곳의 전리층이 77km에서 208.9km 높이로 271% 상승했다”고 연구원들이 보고했다.
또한 양극성 장은 이온층의 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 고도 약 768km의 자기권 한계에서는 정전기장이 없을 때보다 밀도가 3,800% 이상 더 높다. 모델을 사용합니다. Collinson은 “이는 대기를 우주로 조금 전달하는 에스컬레이터나 엘리베이터와 같다”고 설명했다.
또한 흥미로운 점은 화성, 금성 및 기타 많은 행성에도 이러한 세 번째 에너지장이 있을 수 있다는 것이다. Collinson은 “대기가 있는 모든 행성에는 양극성 장을 가지고 있어야 한다”고 말했다. "이제 우리는 그것을 마침내 발견했으므로 시간이 지남에 따라 그것이 지구와 다른 사람들을 어떻게 형성했는지 탐구할 수 있다.“
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07480-3)
출처: NASA/고다드 우주 비행 센터
- NASA 로켓 임무로 처음으로 우리 행성의 양극성 장을 감지
- 1960년대 지구의 두 극에서 양성자의 흐름이 초음속으로 우주로 뻗어나가는 극풍 발견
- 광전자 분광계를 NASA 로켓을 사용 2022년 5월 스발바르에서 극대기권으로 발사
- 화성, 금성 및 기타 많은 행성에도 이러한 세 번째 에너지장이 있을 수 있다.
지구의 세 번째 에너지장 발견
NASA 로켓 임무로 처음으로 우리 행성의 양극성 장을 감지했다.
60년 동안 의심스러웠으나 이제 마침내 발견
NASA 팀이 처음으로 지구의 양극성 장(ambiopolar field), 즉 약하지만, 지구 전체에 걸친 전기장을 감지했다. 자기장과 중력장에 더해, 이것은 우리 행성의 세 번째 에너지장을 형성하고 우주와의 경계를 형성한다. 양극성 장은 지구의 전리층을 271%까지 높이고 초음속 양성자로 만들어진 극풍에 관한 수십 년 된 수수께끼를 해결한다고 연구자들이 "Nature"에 보고했다.
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| ▲ 자기장과 중력 외에도 우리 행성에는 세 번째 전기장도 있다. 바로 NASA의 임무에서 입증된 것처럼 지구의 양극성 장다. © NASA/Conceptual Image Lab |
1960년대에 연구자들은 이상한 점을 발견했다. 지구의 두 극에서 양성자의 흐름이 초음속으로 우주로 뻗어나가 소위 극풍을 형성한다는 것이다. 하지만 그것을 움직이는 것은 무엇일까? 햇빛이나 자기장의 에너지는 이온화된 수소를 가열해야 하기 때문에 모터로 사용할 수 없다는 사실이 빠르게 밝혀졌다. 그러나 극지방 바람 입자는 차갑다. 그러면 무엇이 양성자를 그렇게 빠르게 만들어서 지구의 중력을 벗어날 수 있게 만드는 걸까?
정전기장이 원동력이 되나요?
NASA의 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)의 수석 저자 글린 콜린슨(Glyn Collinson)은 “뭔가가 이러한 입자를 대기 밖으로 발사해야 한다”고 말했다. 그러나 과학자들은 60년 동안 이 극지방 바람의 “엔진”에 대해 의구심을 품어 왔다.
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| ▲ 전리층의 전자와 이온 사이에 작용하는 전기장이 극풍의 원인일까? © NASA/Conceptual Image Lab |
가정 중 하나:
전리층에는 약하지만 전체적인 정전기장이 있을 수 있다. 이는 원자가 이 높이에서 이온화되고 플라즈마가 양성의 무거운 원자와 음성의 가벼운 전자로부터 생성되기 때문에 발생한다.
Collinson과 그의 팀은 “열에너지에 의해 구동되는 전리층 전자가 우주로 탈출하려고 하기 때문에 이러한 장이 발생한다”고 설명했다. 그러나 양전하를 띤 원자 선체는 그것들을 제자리에 고정시킨다. 이러한 전하 효과의 결과로 전자와 양으로 하전된 이온 사이에 약한 양방향 및 양극성 전기장이 생성된다. 문제는 지금까지 수백 킬로미터 고도의 현장에서 이 약한 자기장을 감지하고 이를 다른 전기 효과와 구별할 만큼 민감한 측정 장비가 부족했다는 것이다.
겨우 0.55Volt?
이제는 바뀌었다. 임무를 수행하기 위해 Collinson과 그의 팀은 가장 약한 전기장도 감지할 수 있는 광전자 분광계를 개발했다. 다른 측정 장비와 함께 그들은 NASA 로켓을 사용해 2022년 5월 스발바르에서 극대기권으로 이 탐지기를 발사했다. 고도 768km에 도달한 이번 비행 동안 NASA의 '인듀런스(Endurance)' 임무도 신비한 극풍이 발원하는 지역을 횡단했다.
임무는 실제로 찾고 있던 것을 발견했다. 고도 250~768km에서 측정 장비는 정전기장의 표시인 +0.55V의 전위 강하를 감지했다. Collinson은 "0.5V는 거의 아무것도 아니다. 시계 배터리만큼의 세기다"며 "그러나 이 값은 극지방의 바람을 설명하는 데 정확히 들어맞는다. 이 잠재력은 외부로 분출되는 전자에 의해서만 생성된다"고 말했다.
극풍 엔진 식별
따라서 연구자들은 오랫동안 가정되어 온 지구의 "제3의 에너지장"을 입증했으며 극풍의 수수께끼를 풀었다. 따라서 우리 행성은 중력과 자기장 외에 세 번째 에너지장, 즉 전역 양극성 장을 가지고 있다. 한편으로, 이 약한 정전기장은 전리층에 플라즈마 전자를 보유하고 있다. 반면에 전자의 인력은 이 플라즈마 층의 가벼운 양성자를 들어 올리기에 충분하다. 즉, 본질적으로 전자에 의해 양성자가 위쪽으로 끌어 당겨진다.
연구원들이 확인한 바에 따르면, 이 양력은 이 높이에서 양성자에 작용하는 중력보다 약 10.6배 더 강하다. Collinson의 동료인 Alex Glocer는 “이것은 지구의 중력을 극복하고 초음속으로 양성자를 우주로 방출하기에 충분하다”고 설명했다. 그들의 측정은 양극성 전기장이 양성자와 가벼운 이온으로 구성된 초음속 극풍의 엔진이라는 가정을 뒷받침한다.
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| 스발바르에서 탐지기 탑재한 로켓 발사장면 |
전리층을 위한 “엘리베이터”
그러나 이것이 전부는 아니다. 새로 발견된 장은 또한 지구의 전리층 구조를 형성한다. 외부로 분투하는 전자는 이 층의 더 무거운 양이온을 우주로 운반할 수 없지만, 전자의 인력은 또한 양력을 제공한다. 연구진은 “우리는 극관의 산소 이온(O+)에 대한 양극성 장의 영향을 정량화했다. 이 장으로 인해 그곳의 전리층이 77km에서 208.9km 높이로 271% 상승했다”고 연구원들이 보고했다.
또한 양극성 장은 이온층의 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 고도 약 768km의 자기권 한계에서는 정전기장이 없을 때보다 밀도가 3,800% 이상 더 높다. 모델을 사용합니다. Collinson은 “이는 대기를 우주로 조금 전달하는 에스컬레이터나 엘리베이터와 같다”고 설명했다.
또한 흥미로운 점은 화성, 금성 및 기타 많은 행성에도 이러한 세 번째 에너지장이 있을 수 있다는 것이다. Collinson은 “대기가 있는 모든 행성에는 양극성 장을 가지고 있어야 한다”고 말했다. "이제 우리는 그것을 마침내 발견했으므로 시간이 지남에 따라 그것이 지구와 다른 사람들을 어떻게 형성했는지 탐구할 수 있다.“
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07480-3)
출처: NASA/고다드 우주 비행 센터
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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