일반적으로 소낙비구름에서 관찰한 전기장은 대기(atmosphere)를 전기적으로 파괴하기에는 너무 약하다. 그러나 우주선(cosmic ray)은 번개 드라마의 놀라운 역할을 할 수 있다.
-알렉산더 V. 구레비히와 키릴 P. 지빈 (러시아 과학 아카데미의 레베데프 물리학회)


1749년 벤자민 프랭클린은 기초적인 발견을 했는데 번개는 소낙비 구름(번개구름)과 지구 사이의 전기 방전으로 일어난다는 것이다. 이러한 방전은 대기가 보통때는 절연체인 것이 전기적 으로 파괴(breakdown)되어 발생한다. 여기에 첫째 신비가 있다.
보통 교과서에서 가르치는 파괴는 전기장에서 가열된 자유전자에 기원한다. 열 분포 작용의 꼬리에 있는 빠른 전자는 약 10-20eV의 충분한 에너지를 가지기 때문에 새로운 자유전자를 생성한다. 공기중에 이온화된 분자와 재결합할 때는 낮은 에너지 전자는 사라져버린다. 전기장 이 문지방(threshold) 전기장을 초과하면 이온화로 새로운 전자를 생성하는 비율이 그들의 재결합 비율을 넘어서서 자유전자의 수가 지수함수적으로 증가한다. 즉 전기적 파괴 (breakdown)가 발생한다. 이온화 역할을 한 전자는 고 에너지 분포의 꼬리를 벗어나므로 평균 전자 에너지는 대체로 수 전자볼트(eV)를 넘지 않는다. 통상적인 파괴의 문지방값(Etr)은 분자량에 비례한다. 대기압 아래에서 공기는 Etr이 약 2MV/m이다. 그렇지만 소낙비구름에서 측정한 전기장은 모두 근본적으로 통상적인 파괴에 필요한 값보다 낮은 값을 보인다. 이것은 번개의 근원에 관한 오래된 신비이다.

더 신비로운 현상
다른 하나의 신비는 번개 치는 동안에 생기는 강하고 독립된 전자파 펄스의 발견에 있는데 번개 방전과 연결되지 않는 것이다. 대략 5마이크로초의 전파로 소위 “폭 좁은 양극성(bipolar) 펄스(NBP)”라 하는데, 놀랍게 높은 파워 방출로서 많게는 100기가 와트(십만 메가와트)에 이른다. 밀접하게 관련된 전자파 현상은 우리가 근래에 발견한 것인데, 항상 번개 방전을 시작할 때 첫 펄스로서 나타나는 것이다. 이 펄스도 양극성(bipolar)인데 지속시간은 불과 0.5 마이크로초이고 그 파워는 NBP의 파워보다는 작은 것이다. 무엇이 이러한 전파를 만드는 것일까?
여전히 다른 하나의 신비는 번개구름 속과 바로 아래에서 강한 X선 발사가 발견된 것이다. 약 50keV의 특성인 X선 에너지로서 번개 치는 것과 밀접하게 관련되어 보통 약 1분간 지속된다. 이에 더하여 컴톤(Comton) 감마선 관측소와 류엔 라머티 하이 에너지 태양 스펙트럼 영상 관측위성이 매우 강한 밀리초(millisecond) 감마선 폭주(0.05–10MeV)를 고도 약 500–600 km의 전리층에서 검출한 것이다. 데이터의 분석은 이러한 감마선 폭주가 번개 치는 동안에 생겼다는 것을 분명하게 나타낸다. 상당한 양의 감마선 방출(2–10MeV)이 번개와 동반한다는 사실이 찰스 무어와 그 동료들에 의한 로켓 시동 번개 실험에서 증명되었다. 이 모든 결과는 매우 흥미로운 것인데 높은 에너지 방출은 번개구름 방전에 있어서 상대론적인 전자들의 역할이 큰 역할을 한다는 것을 나타낸다. 달리 상대역학의 이론 위에 번개 문제를 접근함이 필요하다. 이러한 새로운 접근으로 이른바 폭주파괴(runaway breakdown: RB)가 무엇인지를 파악하게 된다. 우주선 강화 대기 샤워(Cosmic-ray Extensive Atmospheric Shower: EAS)에 의하여 시동한 폭주에 의한 복합 방전시험이 카자흐스탄의 티엔샹산 과학 기지에서 이루어졌다.

폭주파괴(Runaway Breakdown)
폭주현상은 고속입자와 물질 상호간의 작용 특성에 기반을 둔다. 에너지를 가진 입자에 미치는 감속력(braking force)은 이온화 손실에 의하여 결정된다. 전자(electron)의 경우 전자의 에너지가 증가하면 감속력은 감소한다. 이유는 유명한 어네스트 러더포드의 전자가속 실험으로 추적할 수 있는데 그것은 가속된 전자가 매체의 전자들과 중성 물질의 원자들과 마치 그들 모두가 자유 입자인 것처럼 작용한다는 것이다. 즉 쿨롬의 법칙에 따른 쿨롬 스캐터링은 입자 에너지의 제곱에 반비례하는 이른바 러더포드 단면적을 가진다. 그래서 비상대론 영역에서 감속력은 분자 밀도에 비례하고 전자의 에너지에 반비례하게 된다. 주어진 물질 밀도에서 그 물질이 금 덩어리이건 지구의 대기이건 이온화 쿨롬 마찰력은 전자의 에너지가 증가함에 따라 약 30년 동안 감소를 지속한다. 나중에는 상대성 효과 때문에 감쇠는 느려지게 된다. 에너지가 1.5MeV가 되면 감속력은 최소치에 다다르고 다음에는 대수 함수적으로 천천히 증가한다.
마찰 스캐터링의 강한 감소는 번개구름 전기장안에서 전자의 가속 확률의 증가를 가져온다. 실제로 어떤 임계치(최소 감속력의 전장: Ec=Fmin/e)를 웃도는 일정한 전기장에서 충분히 높은 에너지를 가지는 전자는 계속해서 가속된다. 이러한 전자는 1924년 찰스 톰슨 리스 윌슨(C. T. R. Wilson)에 의하여 예견되었다. 그 후 그것은 폭주전자(Runaway Electrons)라고 부르게 되었다.
주의할 것은 감속력이 최소가 되지만 없어지지 않는다는 것이다. 최소 감속력(Fmin)은 전자가 움직이는 경로에서 주위의 분자들을 이온화하는 것으로 소모된 에너지에 의하여 결정된다. 전기장이 없다면 지구 대기권을 가로지르는 1MeV의 한 전자는 불과 수m 이온화시키고 모든 에너지를 잃을 것이다. 임계치 이상의 전기장 아래에서만 전자는 폭주하게 된다.
폭주 파괴 현상은 1992년에 우리중의 한 사람인 구레비히와 게나디 밀릭, 로버트 루셀두프레에 의하여 다시 예견된다. 근본 물리 과정은 중성분자의 폭주입자 이온화로부터 새로운 고속전자가 생성된다는 과정이다. 또한 새로 생성된 자유 전자들의 대부분은 낮은 에너지를 가지지만 어떤 것들은 오히려 임계치보다 많은 에너지를 가질 것이다. 이들도 전기장에 의하여 가속되어 폭주하게 되고 임계치 이상의 에너지를 가지는 더 많은 자유전자를 낳게 된다. 결과로 지수 함수적으로 증가하는 폭주 사태(runaway avalanche)가 생긴다.
새로운 폭주를 따라서 꽤 많은 수의 느린 전자들이 생기는데 나중에는 이것이 물질의 전기적 파괴를 유발하게 된다. 완전한 상대론적 이론이 레베데프 물리학회와 스탠퍼드 대학교, 로스알라모스 국립연구소, 사로프 물리 공학 학회 등에서 전개되었다. 대기압아래의 공기에서 전통적 관념의 파괴의 임계 전기장이 약 2MV/m임에 비하여 같은 조건으로 단지 200kV/m이면 전자폭주 파괴사태에 이른다. 고전적으로 필요한 에너지보다 한 단위 적은 세기에서 RB가 생긴다.
그러나 전기장이 임계치 이상이라는 것만으로 RB의 조건이 충분치 않다. 위에서와 같이 0.1 – 1MeV의 임계치 이상의 에너지를 가지는 씨앗전자들의 존재가 필요하다. 더 중요한 것은 지수 함수적으로 폭주 사태가 성장하는데 필요한 특성적 길이를 실질적으로 초과하는 전기장의 공간적 스케일이다. 가스 매체에서 이 길이는 매우 크다. 대기압의 공기에서는 50m 가량이다. 이것이 실험실 조건의 가스에서는 현상을 관측하기 어렵다는 주된 이유이다.
그러나 뇌우 대기(the atmosphere of thunderstorm)에서 입장은 근본적으로 다르다. 구름의 특성적 크기는 항상 임계 길이를 넘고, 우리가 아는 바와 같이 우주선에 의하여 효과적으로 생성된 고속 씨앗전자들도 역시 풍부하며, 거기에다 번개구름의 전기장의 최대값은 전기장 임계치를 자주 근접하거나 초과한다. 그래서 폭주파괴는 뇌우 아래 정말 생길 수 있다.

RB-EAS 방전
대기중에서 RB는 우주선 2차전자에 의하여 자극된다. 고 에너지 우주선은 대기의 분자들과 반응하여 많은 수의 여러 가지 근본입자들과 원자 파편들로 구성된 확장 대기 샤워(EAS)를 일으킨다. RB를 위해서 공기 중에 정지복사(bremsstrahlung), e+e- 페어 생성, 콤톤(Compton) 스캐터링, 그리고 가장 중요한 이온화 등 반응을 통하여 전자와 양성자 그리고 감마선 상호 변환을 일으켜 2차전자들이 만들어진다.
일차적인 우주선은 고도로 상대성을 나타내기 때문에 새로 생성된 입자들은 모두 일차와 같은 방향으로 빛의 속도에 근접한 속도로 움직인다. 결과적으로 EAS 축을 따라 속도의 분산은 아주 적다. 그러나 입자의 전자기적인 배열은 중성 파이온(pion)이 붕괴함에 따라 두 개의 운동량 보존 감마선으로 교차하는 방향으로 퍼진다. 그 결과로 EAS의 입자 전자기적 배열은 팬케익 모양의 구조를 형성하는데, 우주선의 일차적 진입 방향을 따라 보통 수 m인 것이 100-150m 너비로 퍼진다. 한 개의 EAS 안에 2차전자의 총계는 1차 에너지에 비례하여 에너지가 10의 15승 eV이면 10의6승개이고 10의19승 eV이면 10의10승개이다. 2차 전자의 평균 에너지는약 30MeV이다. 그래서 어떤 높은 속(flux) 우주선 아래에 많은 수의 에너지 전자들이 항상 지구 대기에 존재한다.
이제 EAS가 번개구름을 지나갈 때 어떻게 되는지를 보자. 번개구름의 전기장이 임계치에 다다르면 펜케익의 빠른 2차전자가 지수함수적으로 성장하여 전기장이 최대인 번개구름 속에서 폭주사태에 이르게 된다. 동시에 엄청난 수의 열전자가 생긴다. 더불어서 RB-EAS 방전이 생기는데 이것은 지수함수적으로 성장할 때 자연스럽게 발생하는데 에너지를 가진 많은 전자들뿐만 아니라 양자와 감마선도 생긴다.
높은 고도의 최대 2차 전자들은 전기장이 임계치 이상인 번개구름 속에서 자생적으로 존재할 가능성을 나타낸다. 감마선 확산, e+e- 페어 생성, 컴톤 스캐터링 등 때문에 전기적 방전은 구름 안에 번져나갈 수 있다. 주된 에너지원은 폭주 전자와 그들의 복합체이다.
RB-EAS 방전 에너지의 대부분은 분자들의 이온화와, 중요한 것은 엄청난 수(10의 18승부터 10의 21승)에 달하는 저속 열전자의 생성에 쓰여진다는 것이다. 번개구름 속의 전기장 활동 아래 열전자들은 그들의 수명이 짧음에도 불구하고 단극성(unipolar) 전류 펄스를 생성하는데 이것은 양극성 전자파 펄스를 일으킨다. 그 펄스는 먼 거리에서도 볼 수 있는데 지구 표면의 자연환경에서 어떤 특별한 조건에서는 300기가와트 이상의 거대한 에너지를 내게 된다. 이러한 이론으로 약간의 최근 관찰을 비교 검토한다.

번개 시동
이론은 번개의 시작에 RB_EAS 방전은 약 0.5 마이크로초 지속되는 수 메가헬츠의 양극성 전자파 펄스를 만들어 낸다는 것을 예견한다. 이 예견을 체크하기 위하여 10나노초 정도의 높은 시간 분해력(time resolution)과 0.1–30MHz의 넓은 밴드 폭을 가진 전자파 간섭 미터 (interferometer)를 만들었다. 러시아와 카자흐스탄의 서로 다른 지역에서 1200개에 가까운 번개를 측정하였는데 격리된 양극성 전자파 펄스가 번개의 시작에서 존재했다. 4-6km의 낮은 고도 번개에서 펄스 폭은 0.4-0.7마이크로초 이었다. 대표적인 펄스의 전기장은 0.05-1.0V/m 이다. 근원지로부터 거리가 10-100km인 대표적 거리에서 전류 펄스는 약 0.1-1kA 이다.
관측된 방사는 전방향성(omnidirectional)이었는데 이는 전류가 번개구름의 전기장 속에서 약 10의6승 cm/s 속도로 움직이는 열전자에 의하여 생긴다는 것을 뜻한다. 관측된 전자파 펄스를 내기 위해서는 이온화에 의하여 생긴 자유전자의 밀도는 매우 빠른 속도로 성장해야 한다. 관측한 데이터의 분석에 의하면, 이온화 속도가 빛의 속도에 가까운 속도인데, 이것은 우주선 시뮬레이션 RB 과정에서 나타난 것과 일치하는, 빛의 속도에 가까운 속도이다. 물론 번개가 실제로 무엇에 의하여 시동되었는지는 모르지만, 최근의 관측은 RB_EAS 방전으로 시동될 수 있음을 나타낸다. 펄스가 가진 최대 전자 전류의 값은 우주선이 약 10의16승 내지 10의17승 eV의 에너지를 가지며, 최대 번개구름 전기장이 임계전기장의 1.2-1.5배이다. 번개 통계의 미 확정 분석은 우주선 입자 플럭스(flux)가 10의16승 eV인 것으로 정말 번개를 시동하기에 충분하다.

폭 좁은 양극성 펄스(Narrow Bipolar Pulses: NBP)
놀랄만한 자연현상인 폭 좁은 양극성 펄스는 단지 수 마이크로초를 지탱할 뿐이지만, 번개구름 의 대기에서 격리되어 방전하는 거대한 파워의 전자파 방사이다. NBP는 두 가지 형태로 관측되는데, 양(+)극성과 음(-)극성이다. 요즘 몇 해 동안에 NBP의 깊이 있는 관측들이 로스알라모스 스퍼릭 어래이(Los Almos Sferic Array: 수백 km에 걸쳐 퍼져 있음)와 포르테 (FORTE) 위성, 뉴욕 국립 번개 관측소, 그리고 다른 관측 설비들에서 이루어졌다.
(FORTE) 위성, 뉴욕 국립 번개 관측소, 그리고 다른 관측 설비들에서 이루어졌다. NBP 방사는 낮은 주파수(0.2-0.5MHz)이고, 높은 진폭(10-100V/m)이다. 관측들은 NBP를 일으키는 전류 펄스를 추정할 수 있게 하는데, 단극성(unipolar)이며 약 5마이크로초의 특성 폭을 가지며 최대 30-100kA인 것이다. 데이터는 번개 시동 펄스가 좁을수록 열전자와 매우 빠른 속도로 움직이는 이온화 입자에 의한 전류라는 것을 보여준다.
빛으로 방사하는 것은 매우 낮은데, 보통의 번개 번쩍임보다 한 단계 낮고, NBP 전자파 방사는 한 단계 높다. 전자파 펄스 전파(propagation)와 전리층(ionosphere) 반사에 대한 상세한 연구가 대기권에서 꽤 정확하게 국한된 대기권에서 있었다. 주로 10-20km의 높은 고도 방전이었다. 18km에서 날카로운 음극성 NBP이고 13km에서는 양(+)극성이었다.
아주 높은 파워의 NBP 전자파 펄스는 방사 과정의 집중 결과이다. 파워는 전류의 제곱으로 늘어난다. 그래서 100kA를 넘어서는 전류의 파워는 100-300GW이고 에너지로 0.2-1MJ이다. 우리는 NBP가 번개구름의 전기장에서 거대한 양의 에너지를 전자파 방사로 바꾼다는 것을 안다.
관측 데이터의 상세한 분석은 아브람 R. 자콥슨이 NBP와 RB사이의 연관 가능성에 관하여 관심을 갖게 하였다. RB-EAS 방전 이론으로 실제 비교하면 최대 전기장이 임계전기장의 1.4-1.5배임에 합당한 일치를 보인다.

Radio-EAS의 동시 측정
지금까지 우리는 단지 전자파 관측만을 논의하였다. 이론을 입증하고 주된 물리 현상을 잘 이해하기 위하여 전자파 방사와 동시에 발생할 경우에 대해 알아보는 것이 중요하다. 이러한 실험을 3300-3500m 고도의 티엔샹산 과학 기지에서 행하였다. 가이거 뮐러 카운터를 사용한 특수 트리거 어레이를 장치하였다. 이 어레이는 2곱하기10의14승과 10의15승 eV 사이의 에너지를 가진 우주선 입자에 의하여 EAS로부터 감마선 펄스가 나오는 것을 검출하였다. 어레이에 의하여 검출한 EAS 사이의 평균 시간 간격은 2.5초 이었다.
EAS 안테나로부터 한 신호가 전자파 수신기를 동기 시켰다. 두 개의 천둥 소낙비가 오는 동안 150회의 감마선과 전자파 펄스가 50마이크로초 이내에 동시에 관측되었다. 소낙비가 내리지 않고 조용할 때는 전자파 펄스는 없었지만 EAS는 항상 볼 수 있었다.
관측된 전자파 펄스는 전체 폭이 0.4-0.7마이크로초인 양극성(bipolar)이었다. 근원이 되는 전류 펄스는 많아야 수 암페어로 추정된다.
전자파 관측과 RB-EAS 이론의 예측 사이에는 번개구름의 최대 전기장이 임계 전기장의 1.2-1.4배라는 것에 합당한 일치가 있다.

종합 검토
다음 표는 이론적인 데이터 비교 결과 우주선 입자 최대 에너지와 최대 전자 전류의 개략적인 상관 관계를 나타낸 것이다.

관측	1차 우주선 입자 에너지	최대 전자 전류
전파도달 대기권 동시성 샤워	10의14승 - 10의15승eV	1-10A
번개 시동	10의16승 – 10의17승eV	0.1-1kA
좁은 양극성(bipolar) 펄스	10의17승 – 10의19승eV	10-100kA

 

 

 

 

 

비교를 하기 위해서는 최대 전기장과 임계전기장 비율이 좀더 높은 값인 1.2-1.5로 추정한다. 높은 고도와 낮은 고도의 직접 관찰은 보통 낮은 값을 갖지만 4-6km 고도에서는 높은 값을 보였다. 우리는 가장 활발한 소낙비 지역에서 NBP가 보인다는 것에 주의하는데, 어떤 연구가들은 강한 양전하 층(positively charged layer)이 약 15-16km 고도에 존재한다고 본다.
우리는 RB-EAS 방전이 번개 시동에 기여할 수 있다는 것을 보여준 증거를 알아 보았다. 아직 더 많은 실험이나 이론이 이루어져야 한다. 예를 들어 RB가 아직 풀리지 않은 번개의 다른 미스터리를 풀어줄 수 있는 가능성이다. 그 미스터리는 “콘덕티비티가 크기가 어떻게 몇 개 오더로 늘어나 –이른바 스텝프드 리더(stepped leader)로 알려진- 번개구름에서 넓게 확산된 전하(electric charge)들이 모여서 수 밀리초 안에 지구나 다른 구름으로 전달되는가”이다. 근래에 드와이어(Dwyer)와 그 동료들은 폭주 전자에 의하여 생성된 감마선의 밀리초 폭발 (burst)을 관측했는데, 구름과 지구 사이의 번개에 밀접한 관계가 있는 것이다. 드와이어의 제안에 의하면 폭주는 전기장이 극도로 강한 적은 국부 지역에서 발생한다.
강한 전자파 펄스는 매우 중요하다. RB-EAS 이론은 우주선 입자 에너지에 의하여 전자파 펄스 파워가 강하게 성장한다는 것이다. 이러한 전자파 펄스는 1000km에 이르는 아주 먼 거리에서 쉽게 관측된다. 우리는 이러한 펄스들도 역시 NBP와 같아 보일 것이라고 추측한다. 이 현상의 자세한 연구는 아주 높은 에너지(10의17승 eV)의 우주선 입자 전자파 검출의 새로운 방법으로 이어질 것이다.
상대론 역학 과정에 있어서는 RB-EAS 방전이 많은 수로 양성자와 감마선의 지수함수적 성장을 수반하는데, 이는 예를 들어 511keV의 e+e-제거(annihilation) 라인과 같은 폭넓은 실험 연구 기회를 여는 것이다. 특히 흥미 있는 것은 감마선 방사의 극히 강한 펄스인데 NBP 실현의 원리로 예견한 것이다. 이 효과는 주의 깊게 연구해야 하는데 이유는 상업적 비행기가 날아 다니는 고도 근처에서 발생하기 때문이다. 감마선 펄스는 15-20km 높이에서 생기는데 위성 관측 방법이 편리할 것이다. 더욱이 위성 연구는 데이비드 스미스와 그 동료들에 의하여 관찰된 매우 강한 감마선 밀리초 펄스 방출의 원리를 수립하는데 도움이 될 것이고, 높은 고도의 번개와, 번개구름과 전리층 사이의 방전 현상과도 연관이 있을 가능성이 있다.
우리는 아주 다른 물리학적 영역에서 발생하는 과정들이 우리의 전기 환경을 결정하는 콘서트 행위일 수 있음을 안다. 대기는 미크론으로 측정되고 수명이 몇 나노초인 열전자의 자유로운 경로에 비하면 보다 조밀한 매체라고 생각한다. 아직은 거대한 거시적 과정, 수 킬로미터의 거리, 비교적 적은 전기장 아래에서 생기는 순수한 상대역학이론으로 결정된다. 이렇게 진실로 놀라운 물리현상을 연구하는, 연속 및 확장 가능한 구체적 과학적 프로그램이 분명히 요구된다.