번개의 전압은 몇 볼트일까?

SCIENCE WAVE

 

 

소립자 뮤온(muon)으로 번개의 전압을 측정

 

적운(積雲 뭉게구름), 적란운(積亂雲 소나기구름)이라 불리는 구름의 머리는 산봉우리처럼 솟아 있다. 이런 구름은 소나기를 쏟을 수 있는 많은 수증기를 담고 있다. 소낙비(폭우暴雨)는 소나기구름에서 맹렬하게 내리는 비이다. 천둥(thunder), 번개(lightning)가 치면서 내리는 폭우는 ‘뇌우’(雷雨 thunderstorm)라 한다. 뇌운(雷雲)은 번개가 치도록 전기를 띤 구름을 의미한다. 짧은 문장 속에 적운, 적란운, 소나기구름, 폭우, 뇌우, 뇌운, 천둥, 번개 등의 중요한 기상용어가 다수 들어 있다.

 

본사 블로그 중에는

1) 번개는 왜 생길까?

2) 번개는 왜 지그재그로 가지가 생기나?

3) 구름에 전기가 생기고 번개가 치는 이유

4) 번개가 칠 때 자동차 안에 있으면 안전한가?

5) 번개구름(뇌운)이 가진 전기는 몇 볼트나 되나?

등의 내용이 간단하게 소개되어 있다.

 

이 중에 5)를 보면,

“전 세계의 하늘을 볼 때, 1초에 매번 100회 정도의 번개가 치고 있다. 그 번개의 대부분은 구름과 구름 사이에 방전(放電)이 일어나고, 25개 정도만 지면으로 방전한다. 번개가 한 번 치는데 걸리는 시간은 평균 4분의 1초 정도라고 알려져 있다. 볼트는 전압을 나타내는 단위인데, 전압이 높을수록 큰 에너지를 가진다. 예를 든다면 물탱크 가득 물이 담겨 있을 때는 수압이 높고, 탱크 바닥에 조금 남은 물은 수압이 낮다. 전기도 마찬가지로 전압이 높으면 높은 댐의 물처럼 강한 힘으로 흐른다. 번개가 치는 구름의 전압은 수천만 볼트에 이른다. 그런데, 지금까지 과학자들은 그 전압을 직접 측정해볼 수가 없어, 이론적으로만 설명하고 있다."

 

 

 

최근까지 번개의 전압은 수천만 볼트일 것이라고 생각했다. 그러나 우주방사선으로 오는 소립자인 뮤온을 이용한 측정에서 생각보다 10배나 더 높은 13억 볼트나 된다는 것을 알게 되었다. 우주에서 오는 입자들을 우주방사선(cosmic ray)라고 하지만, 그들은 선(ray)이 아니라 높은 에너지를 가진 입자들이다. 우주방사선은 별이 폭발할 때 많이 생겨나며, 그들의 대부분은 양성자들이다.

 

 

번개의 전압은 13억 볼트!

 

지금까지 뇌운의 전기를 측정할 때는 기구(氣球)를 이용하거나 비행기에서 했다. 그런데 이런 방법으로는 구름의 한쪽 귀퉁이에서만 측정하기 때문에 뇌운 전체의 전압은 측정이 불가능했다.

 

인도 기초과학연구소의 물리학자 굽타(Sunil Gupta)와 그의 연구팀은 인도에서 발생하는 폭풍우의 구름이 가진 전압을 ‘뮤온’이라 불리는 음전기를 가진 소립자(subatomic particle)를 이용하여 처음으로 측정했다. 그 결과는 놀랍게도 지금까지 예상해오던 전압보다 10배나 높은 13억 볼트로 밝혀졌다.

 

뮤온은 전자와 같은 -1e(전자 1개의 음전기)의 전하(電荷)를 가지고 있으며, 질량은 전자보다 약 200배 큰, 불안정한 소립자의 하나이다. 뮤온은 우주로부터 거의 빛의 속도로 지상에 쏟아지는 입자들이다. 굽타 연구팀은 'GRAPES-3'라는 장비로 지상에 쏟아지는 뮤온의 양을 측정했다. 평상시 뮤온은 1분에 250만개가 측정되었다. 그러나 번개가 칠 때는 전기장(電氣場 electric field)이 변하기 때문에 뮤온이 감소했다. 그들은 뮤온 입자의 양이 변하는 정도를 컴퓨터로 분석하여 뇌운의 전압을 추정했다.

 

굽타 팀은 1년 동안 뇌우가 쏟아질 때마다 측정을 하여, 결과적으로 뇌운의 전압은 20억 볼트에 이른다고 결론지었다. 이러한 전력은 대형 원자력발전소에서 나오는 에너지에 해당한다.

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넓은 면적에 뮤온 측정기 GRAPE-3을 펼쳐두고 뮤온의 변화를 측정하여 뇌운의 전하를 조사했다. 번개가 한 차례 방전하는데 걸리는 시간(뇌속雷速)은 약 4분의 1초이다. 번개가 1회 치는 동안에 뮤온의 변화를 조사하여 전압을 계산했다.

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번개가 심하게 치면 라디오에서 잡음이 발생한다. 그 이유는 번개의 고압전류 때문에 고에너지를 가진 전자기파(주로 감마선)가 대량 발생되기 때문이다. 오늘날에는 번개가 번쩍일 때 대량 발생하는 감마선(gamma-ray flash)을 수백 km 떨어진 우주에서 ‘감마선 망원경’으로 탐지하여 번개의 성질을 연구하기도 한다. 이것은 X선으로 인체 내부를 검사하는 것과 비슷하다.

 

번개에 대한 관측은 기상예보에 매우 중요하다. 번개 과학은 대단히 복잡하며, 번개가 발생하는 원인은 아직 완전히 밝혀지지 않고 있다. 번개의 전압을 측정한 굽타의 논문은 2019년 3월호 <Physical Review Letters>에 실렸다. - YS

 

 

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