지구의 날씨는 우주의 날씨에도 영향
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-10-22 23:42:15
4분 읽기
- 지구 자기장은 지구를 공전하는 두 개의 복사 벨트를 생성
- 내부 벨트는 지구 표면 위 약 1천km에서 시작하고 외부 벨트는 약 2만km에서 시작
- 지구상의 번개가 내부 복사대에서 전자 샤워를 유발하는 원인
- '킬러 전자': 위성의 금속을 관통하고, 회로 기판을 쳐서 손상시킬 수 있으며, 우주에서 인간에게 발암성을 일으킬수 있다.
지구 자기장은 지구를 공전하는 두 개의 복사 벨트를 생성한다. 내부 벨트는 지구 표면 위 약 1천km에서 시작하고 외부 벨트는 약 2만km에서 시작된다. 우주에 있는 이 구역은 태양으로부터 우리 행성을 향해 흘러가는 입자를 가두어 가둔다. 벨트는 지구 대기와 나머지 태양계 사이의 양성자와 전자에 대한 일종의 장벽을 형성한다.
우주에서 온 전자 샤워
하지만 이 보호막은 완전히 단단하지 않다. 예를 들어, 외부 방사선 벨트의 고에너지 전자는 자연 플라즈마 파동에 의해 밀려나면 지구로 떨어지거나 우주로 다시 돌아갈 수 있다. 또한 하늘의 번개가 전자기파를 우주로 던질 수도 있다. 이 파동이 내부 벨트의 전자에 부딪히면 전자가 느슨해져서 전자가 우주와 지구에 "비"를 내릴 수 있다. 어떤 경우에는 이러한 “번개로 인한 전자 강수降水”가 지구 대기의 화학적 성질에도 영향을 미칠 수 있다.
지금까지 내부 복사대에서는 수 킬로전자볼트(KeV)의 낮은 에너지를 갖는 "차가운" 전자 소나기가 관찰되었다. 따라서 일부 연구자들은 이전에 내부 벨트에 메가전자볼트 범위의 고에너지 전자가 없다고 가정했다. "일반적으로 내부 벨트는 지루한 것으로 간주된다"고 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스의 Lauren Blum은 말했다.
위성 데이터는 내부 벨트의 "뜨거운"전자를 보여준다
그러나 Blum과 그녀의 동료인 Max Feinland가 이끄는 팀은 우연히 처음으로 내부 벨트에서 유사한 "뜨거운" 전자 비가 내리는 것을 관찰했다. 위성 데이터를 분석하는 동안 Feinland는 이상한 점을 발견했다. 내부 벨트를 통해 이동하는 고에너지 전자 덩어리다. 더 심층적인 분석을 거친 후, 그는 1996년부터 2006년 사이에 내부 벨트에서 이러한 고에너지 전자 폭발이 총 45번 발생했다는 사실을 확인했다. 신호가 갑자기 나타났다가 비교적 천천히 안정되었다.
그러면 우주에서 이러한 예상치 못한 사건이 어떻게 발생하게 되었을까? "차가운" 전자와 마찬가지로 지구의 번개도 책임이 있을까? 이를 알아내기 위해 연구자들은 확인된 사건을 지구의 기상 기록, 특히 북미 지역의 낙뢰와 비교했다. 전자 샤워 중 일부는 실제로 지상에 번개가 치고 1초도 채 안 되어 발생한 것으로 밝혀졌다.
번개는 전자로 핀볼 게임을 한다
연구팀은 지구상의 번개가 내부 복사대에서 전자 샤워를 유발하는 원인이라고 결론지었다. 그들의 가정은 다음과 같다. 번개는 전자기파를 방출하여 내부 벨트의 "차가운" 전자뿐만 아니라 "뜨거운" 전자에도 영향을 미친다. 이 "뜨거운" 전자는 핀볼 게임처럼 지구의 북반구와 남반구 사이를 앞뒤로 튕겨 나온다. 측정 데이터에 따르면 개인 점프는 0.2초 동안만 지속된다.
Blum은 “전자는 (벨트 가장자리에서) 튕겨 나왔다가 되돌아왔다가 다시 튕겨 나가는 큰 덩어리로 움직인다”라고 설명했다. 충격을 받을 때마다 일부 전자가 벨트에서 나와 지구 대기로 떨어진다. 시간이 지남에 따라 전자 샤워가 마침내 끝날 때까지 우주의 "핀볼 기계"에는 전자 수가 점점 더 적어진다.
우주에 대한 일기 예보
결과는 번개가 지구의 날씨뿐만 아니라 우주의 날씨에도 영향을 미친다는 것을 보여준다. 그러나 Feinland와 그의 동료들은 그러한 기상 현상에는 뇌우뿐만 아니라 태양 폭풍도 필요하다고 가정한다. 그들은 번개로 인한 전자 샤워가 주로 태양이 매우 활동적이어서 많은 "뜨거운" 전자를 복사 벨트에 던질 때 발생한다고 의심한다. 이제 팀은 후속 연구에서 실제로 언제, 얼마나 자주 발생하는지 조사하려고 한다.
그러면 우주 당국이 가이드로 사용할 수 있는 우주에 대한 일기 예보도 가능해진다. 입자 비는 우주비행사와 위성에게 위험할 수 있다. Feinland는 "어떤 사람들은 이러한 입자를 '킬러 전자'라고 부른다"며 "이들은 위성의 금속을 관통하고, 회로 기판을 쳐서 손상시킬 수 있으며, 우주에서 인간에게 발암성을 일으킬 수 있다"고 말했다.
(Nature Communications, 2024; doi: 10.1038/s41467-024-53036-4)
출처: University of Colorado at Boulder
- 지구 자기장은 지구를 공전하는 두 개의 복사 벨트를 생성
- 내부 벨트는 지구 표면 위 약 1천km에서 시작하고 외부 벨트는 약 2만km에서 시작
- 지구상의 번개가 내부 복사대에서 전자 샤워를 유발하는 원인
- '킬러 전자': 위성의 금속을 관통하고, 회로 기판을 쳐서 손상시킬 수 있으며, 우주에서 인간에게 발암성을 일으킬수 있다.
번개는 우주에서 "전자 물갈퀴" 유발한다
지구의 날씨는 우주의 날씨에도 영향을 미친다
우주 날씨:
번개가 지구에 부딪힐 때 때때로 우주에서 전자 비가 쏟아진다고 위성 데이터로 밝혀졌다. 뇌우는 내부 복사 벨트에 있는 특히 고에너지 전자에 부딪혀 입자로 가득 찬 지구의 보호막인 전자를 밖으로 내보낼 수 있다. 연구자들은 지구의 날씨와 우주 날씨 사이의 새로운 연관성을 보여주었다. 새로 발견된 "뜨거운" 전자 샤워는 우주여행에 위험할 수 있으므로 앞으로 일기 예보에 기록되어야 한다.
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| ▲ 이 그림은 지구를 공전하는 자기장 선(가는 청록색 선)이 하전 입자(가는 노란색 선)를 가두어 보호 방사선 벨트를 만드는 방법을 보여준다. © UCLA EPSS/NASA SVS |
지구 자기장은 지구를 공전하는 두 개의 복사 벨트를 생성한다. 내부 벨트는 지구 표면 위 약 1천km에서 시작하고 외부 벨트는 약 2만km에서 시작된다. 우주에 있는 이 구역은 태양으로부터 우리 행성을 향해 흘러가는 입자를 가두어 가둔다. 벨트는 지구 대기와 나머지 태양계 사이의 양성자와 전자에 대한 일종의 장벽을 형성한다.
우주에서 온 전자 샤워
하지만 이 보호막은 완전히 단단하지 않다. 예를 들어, 외부 방사선 벨트의 고에너지 전자는 자연 플라즈마 파동에 의해 밀려나면 지구로 떨어지거나 우주로 다시 돌아갈 수 있다. 또한 하늘의 번개가 전자기파를 우주로 던질 수도 있다. 이 파동이 내부 벨트의 전자에 부딪히면 전자가 느슨해져서 전자가 우주와 지구에 "비"를 내릴 수 있다. 어떤 경우에는 이러한 “번개로 인한 전자 강수降水”가 지구 대기의 화학적 성질에도 영향을 미칠 수 있다.
지금까지 내부 복사대에서는 수 킬로전자볼트(KeV)의 낮은 에너지를 갖는 "차가운" 전자 소나기가 관찰되었다. 따라서 일부 연구자들은 이전에 내부 벨트에 메가전자볼트 범위의 고에너지 전자가 없다고 가정했다. "일반적으로 내부 벨트는 지루한 것으로 간주된다"고 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스의 Lauren Blum은 말했다.
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| ▲ 지구 주변의 두 방사선 벨트에 대한 그림 © NASA |
위성 데이터는 내부 벨트의 "뜨거운"전자를 보여준다
그러나 Blum과 그녀의 동료인 Max Feinland가 이끄는 팀은 우연히 처음으로 내부 벨트에서 유사한 "뜨거운" 전자 비가 내리는 것을 관찰했다. 위성 데이터를 분석하는 동안 Feinland는 이상한 점을 발견했다. 내부 벨트를 통해 이동하는 고에너지 전자 덩어리다. 더 심층적인 분석을 거친 후, 그는 1996년부터 2006년 사이에 내부 벨트에서 이러한 고에너지 전자 폭발이 총 45번 발생했다는 사실을 확인했다. 신호가 갑자기 나타났다가 비교적 천천히 안정되었다.
그러면 우주에서 이러한 예상치 못한 사건이 어떻게 발생하게 되었을까? "차가운" 전자와 마찬가지로 지구의 번개도 책임이 있을까? 이를 알아내기 위해 연구자들은 확인된 사건을 지구의 기상 기록, 특히 북미 지역의 낙뢰와 비교했다. 전자 샤워 중 일부는 실제로 지상에 번개가 치고 1초도 채 안 되어 발생한 것으로 밝혀졌다.
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| ▲ 식별된 각 바운싱 패킷의 지리적 위치(빨간색), 배경 자기장 강도는 색상 척도에 표시됨. L-쉘 윤곽은 IGRF-13 모델을 사용하여 계산된 흰색 점선으로 중첩됨. 빨간색 점은 관찰된 이벤트를 나타냄. 소스 데이터는 소스 데이터 파일로 제공됨. (출처: Published: 08 October 2024 / Lightning-induced relativistic electron precipitation from the inner radiation belt) |
번개는 전자로 핀볼 게임을 한다
연구팀은 지구상의 번개가 내부 복사대에서 전자 샤워를 유발하는 원인이라고 결론지었다. 그들의 가정은 다음과 같다. 번개는 전자기파를 방출하여 내부 벨트의 "차가운" 전자뿐만 아니라 "뜨거운" 전자에도 영향을 미친다. 이 "뜨거운" 전자는 핀볼 게임처럼 지구의 북반구와 남반구 사이를 앞뒤로 튕겨 나온다. 측정 데이터에 따르면 개인 점프는 0.2초 동안만 지속된다.
Blum은 “전자는 (벨트 가장자리에서) 튕겨 나왔다가 되돌아왔다가 다시 튕겨 나가는 큰 덩어리로 움직인다”라고 설명했다. 충격을 받을 때마다 일부 전자가 벨트에서 나와 지구 대기로 떨어진다. 시간이 지남에 따라 전자 샤워가 마침내 끝날 때까지 우주의 "핀볼 기계"에는 전자 수가 점점 더 적어진다.
우주에 대한 일기 예보
결과는 번개가 지구의 날씨뿐만 아니라 우주의 날씨에도 영향을 미친다는 것을 보여준다. 그러나 Feinland와 그의 동료들은 그러한 기상 현상에는 뇌우뿐만 아니라 태양 폭풍도 필요하다고 가정한다. 그들은 번개로 인한 전자 샤워가 주로 태양이 매우 활동적이어서 많은 "뜨거운" 전자를 복사 벨트에 던질 때 발생한다고 의심한다. 이제 팀은 후속 연구에서 실제로 언제, 얼마나 자주 발생하는지 조사하려고 한다.
그러면 우주 당국이 가이드로 사용할 수 있는 우주에 대한 일기 예보도 가능해진다. 입자 비는 우주비행사와 위성에게 위험할 수 있다. Feinland는 "어떤 사람들은 이러한 입자를 '킬러 전자'라고 부른다"며 "이들은 위성의 금속을 관통하고, 회로 기판을 쳐서 손상시킬 수 있으며, 우주에서 인간에게 발암성을 일으킬 수 있다"고 말했다.
(Nature Communications, 2024; doi: 10.1038/s41467-024-53036-4)
출처: University of Colorado at Boulder
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