‘번개의 탄생’ 비밀 풀려는 과학계
우주서 날아온 입자와 연관성 확인

지난 주말 오랜 가뭄 끝에 내린 단비는 요란한 천둥 번개를 동반했다. 오랜만에 보는 비라 반갑기도 했지만 대지를 뒤흔든 천둥 번개는 가슴속 깊은 곳에 원초적 두려움을 불러일으켰다. 국제우주정거장에서 촬영한 영상을 보면 대기권 구름 속에서 끊임없이 치는 번개를 쉽게 볼 수 있다. 필자도 이를 보면서 대기권에서 번개가 저렇게 잦았던가 하는 의문을 가지게 됐다. 번개를 연구하는 학자들에 의하면 대기권에서는 1초에 수십 번, 1년에 900만 번 이상 번개가 발생한다고 한다.

벤저민 프랭클린이 18세기 중반 연을 이용해 수행한 선구적 실험에서 번개가 전기현상임을 확인한 이래 번개와 뇌우(雷雨)에 관한 다양한 연구가 이뤄져 왔다. 그러나 많은 과학자들은 인류에게 번개가 아직도 심해와 같이 미지의 영역으로 남아 있다고 생각한다. 가령 뇌우의 상층부인 성층권과 전리권에서 엄청난 규모의 다양한 번개가 발생한다는 것을 알게 된 것은 1990년 이후였고, 뇌우가 강력한 전자기파인 감마선을 방출하거나 고에너지의 전자를 형성한다는 사실이 알려진 것은 채 10년도 되지 않는다. 그런데 번개 연구 중 과학자들을 가장 곤혹스럽게 만드는 부분은 번개가 어떤 경로를 거쳐 형성되는지를 아직도 정확히 모른다는 점이다.

인류의 문명과 함께 연구해 왔던 보편적인 자연현상인 번개에 대해 이처럼 무지한 것은 그만큼 뇌우와 번개를 연구하는 것이 어렵다는 것을 의미한다. 양(+) 혹은 음(-)으로 대전된 대규모 전하와 이들이 만드는 높은 전압으로 형성된 뇌우의 거친 환경 속으로 검출장치를 보내는 것도 쉽지 않지만, 풍선 등의 비행기구 자체가 뇌우에 영향을 주거나 번개에 의해 검출기가 파손되는 어려움도 많았을 것이다. 이에 뇌우를 원격계측으로 연구하는 실험이 고안되고 있다.

최근 네덜란드를 중심으로 한 대규모의 국제연구진이 우주에서 날아오는 고에너지 입자의 흐름인 우주선(宇宙線)을 번개 연구에 활용한 흥미로운 결과를 발표했다. 지구에 입사되는 고에너지의 우주선 입자는 대기권의 공기분자와 부딪치며 전하를 띤 대전입자 다발이라는 부산물을 만들어낸다. 이 대전입자 다발이 지구 자기장 속에서 운동하며 라디오파 펄스를 만든다는 것은 잘 알려져 있다. 그런데 이 입자 다발이 뇌우 속을 통과하게 되면 구름 속의 전하분포가 입자 다발의 운동에 영향을 미치며 이들이 만드는 라디오파에도 그 흔적을 남기게 된다.

고재현 한림대 교수·물리학

뇌우가 입자 다발에 새긴 흔적을 찾기 위해 국제연구진은 유럽의 여러 나라에 설치돼 있는 라디오파 안테나를 동원해 입자 다발이 방출하는 라디오파를 추적해 왔다. 762개의 입자 다발을 추적한 연구진이 확인한 것은 맑은 날씨와 천둥 번개가 치는 날씨 속에서 측정된 라디오파 펄스의 편광 특성이 확연히 다르다는 것이었다. 이 차이를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 재현함으로써 연구진은 뇌우 속 전하분포를 최초로 들여다볼 수 있었다. 이런 원격연구의 성과가 쌓이게 되면 곧 뇌우 속에서 번개가 어떻게 탄생하는지를 밝힐 것으로 기대된다.

살다 보면 가끔 전혀 관련이 없을 법한 사람이나 사건의 연관성을 확인하고 신기해할 때가 종종 있다. 과학 연구도 마찬가지다. 전혀 관련성이 없어 보이는 우주에서 날아오는 입자의 부산물과 번개의 연결고리를 파헤침으로써 과학자들은 번개의 비밀을 밝혀내는 단초를 만들어냈다. 이런 참신한 연구가 가능했던 것은 39개 연구기관이 참여한 국제적 연구 네트워크의 힘과 더불어 천문학 분야에 사용되던 실험기법을 활용하는 등 다양한 분야를 아우르는 융합연구의 흐름에 기인한 바 클 것이다. 그렇지만 개인적으로는 무엇보다도 어떤 현상을 완전히 새로운 각도에서 바라볼 수 있는 과학적 상상력이 중요한 역할을 했을 것이라 생각한다. 손수 만든 망원경을 인류 최초로 밤하늘을 향해 치켜들었던 갈릴레이 갈릴레오가 품었던 자연에 대한 호기심과 상상력을 간직하며 세계 곳곳에서 자연현상의 근원을 파헤치고 있는 과학자들의 열정과 활약에 뜨거운 갈채를 보낸다.

고재현 한림대 교수·물리학