물리 [표지로 읽는 과학] 국제우주정거장에서 관측한 블루 제트

[표지로 읽는 과학] 국제우주정거장에서 관측한 블루 제트

네이처 제공

국제학술지 ‘네이처’는 21일 국제우주정거장(ISS)에서 본 블루 제트(Blue Jet)의 모습을 표지로 실었다. 지구 표면에서 블루 제트가 파랗게 빛나는 모습을 표현했다. 다만 실제 촬영본이 아닌 상상도다. 

블루 제트는 번개의 한 형태로 구름 꼭대기에서 성층권으로 솟아오르는 형상을 보인다. 뇌우에서 발생한 대전 입자들이 위로 이동하면서 주위 분자들을 이온화시켜 파란 빛을 낸다. 초속 100km로 고도 40~50km까지 치솟고 0.1~1μs(마이크로초·1μs는 100만 분의 1초)의 아주 짧은 시간에 발생했다가 바로 사라진다. 

하늘에서 땅으로 내리치는 일반적인 번개와 달리 블루 제트처럼 위쪽으로 생기는 번개를 ‘상향 번개’ 또는 ‘로켓 번개’라고 부른다. 성층권에서는 블루 제트가, 그보다 높은 중간권에서는 ‘스프라이트(Sprites)’로 불리는 번개가, 가장 꼭대기인 전리층에서는 ‘엘브스(ELVES)’로 불리는 번개가 발생한다.

이들 셋 중에서도 블루 제트에 대해 밝혀진 게 가장 적다. 아직까지 블루 제트가 어떻게 생성이 되는지, 또 어떤 특성이 있는지 명확히 밝혀지지 않았다. 우주왕복선이나 비행기에서 가끔 그 모습을 볼 수 있지만 너무 짧은 시간에 발생하고, 지상에서는 대기의 방해 없이 블루 제트를 관찰하기가 어려웠다.

토르스텐 노이버트 덴마크 공대 국가우주연구소 수석연구원팀은 2018년 유럽우주국(ESA)이 개발해 ISS에 설치한 대기-우주 상호 모니터링(ASIM) 장비로 블루 제트를 관측하는 데 성공했다. 

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연구팀은 약 10μs라는 아주 짧은 순간 동안 블루 제트를 관찰하는 데 성공했다. 그 결과에 따르면 블루 제트는 지구 대기 전리층 내의 엘브스와 함께 발생했다. 엘브스는 전자기 펄스로 인해 빠르게 방출되는 빛과 매우 낮은 주파수의 섭동을 뜻한다. 전자기 펄스는 짧은 시간에 퍼져나가는 강력한 파장인 펄스 형태로 방출되는 전자기파를 뜻한다. 

블루 제트가 시작될 때 희미한 적색 방출 펄스가 나타나고, 이어서 펄스에서 방출된 빛과 섭동이 점점 약해지는 동시에 국부화 현상이 일어났다. 국부화 현상은 물질 내부에서 섭동이 정지되는 현상이다. 연구팀은 “블루 제트를 만들어내는 적색 펄스는 ‘NBP’로 보인다”고 설명했다. NBP(Narrow bipolar pulse)는 뇌우에서 발생하는 강한 고주파장이다.

노이버트 수석연구원은 “NBP는 구름에서 땅으로 번개를 치게 만들고, 블루 제트가 성층권에서 발생하는 이유로 알려져 있다”며 “실제 관측과 동일하다”고 밝혔다.