레이저 트랩에 있는 이 빛나는 입자는 번개가 어떻게 시작되는지 밝힐 수 있습니다.

에어로졸은 공기 중에 떠다니는 작은 물방울이나 고체 입자이며 끊임없이 우리를 둘러싸고 있습니다. 봄철 꽃가루처럼 눈으로 볼 수 있을 만큼 큰 것도 있고, 독감 시즌에 퍼지는 바이러스와 같은 것들은 인간의 눈으로 보기에는 너무 작습니다. 바다 바람에 전달되는 미세한 소금 입자를 포함하여 일부는 맛으로도 느낄 수 있습니다.

ISTA의 Waitukaitis 및 Muller 그룹 회원인 PhD 학생 Andrea Stöllner는 구름 내에서 형성되는 얼음 결정의 행동을 연구합니다. 이러한 결정이 어떻게 전하를 모으는지 더 잘 이해하기 위해 그녀는 매우 작고 투명한 실리카 구체로 만든 모델 에어로졸을 사용하여 작업합니다.

전 ISTA 박사후 연구원 Isaac Lenton, ISTA 부교수 Scott Waitukaitis 및 공동 작업자와 함께 Stöllner는 교차하는 두 개의 레이저 빔을 사용하여 단일 실리카 입자를 포착, 안정화 및 전기 충전하는 기술을 개발했습니다. 이 설정은 클라우드 전기화가 어떻게 시작되고 번개가 어떻게 발생하는지에 대한 새로운 조사의 문을 열어줍니다.

안정적인 레이저 트랩 구축

Andrea Stöllner는 광택이 나는 금속 부품으로 가득 찬 대형 실험실 테이블에서 작업합니다. 녹색 레이저 광선이 공간을 가로질러 거울에서 거울로 튕겨 나옵니다. 타이어에서 공기가 새는 것과 비슷한 느리고 꾸준한 쉭쉭거리는 소리가 테이블에서 들립니다. Stöllner는 “이것은 진동 방지 테이블입니다.”라고 말하며 매우 정밀한 측정에 필수적인 실내 또는 근처 장비의 작은 방해로부터 레이저를 보호하는 방법을 지적합니다.

빔은 일련의 정렬된 부품을 통과한 후 밀봉된 용기로 들어가는 두 개의 좁은 흐름으로 수렴됩니다. 그들이 만나는 곳에서는 작은 입자를 제자리에 고정할 수 있는 집중된 빛의 지점을 만듭니다. 이러한 “광학 핀셋”은 에어로졸을 연구할 수 있을 만큼 오랫동안 부유 상태를 유지합니다. 입자가 잡히면 밝은 녹색 섬광이 나타나 트랩이 빛나고 완벽하게 둥근 에어로졸 입자를 성공적으로 잡았음을 확인합니다.

Stöllner는 2년 전, 크리스마스 직전에 획기적인 순간을 회상합니다. “처음으로 입자를 포착했을 때 정말 기분이 좋았습니다.” “Scott Waitukaitis와 동료들은 실험실로 달려가서 포착된 에어로졸 입자를 잠깐 살펴보았습니다. 그것은 정확히 3분 동안 지속된 후 입자가 사라졌습니다. 이제 우리는 그 위치를 몇 주 동안 유지할 수 있습니다.”

이러한 통제 수준을 달성하는 데 거의 4년이 걸렸습니다. 실험은 Lenton이 개발한 이전 버전으로 시작되었습니다. “원래 우리의 설정은 단일 입자를 보유하고 전하를 분석하고 습도가 전하를 어떻게 변화시키는지 파악하도록 구축되었습니다.”라고 Stöllner는 말합니다. “하지만 우리는 여기까지 오지 못했습니다. 우리가 사용하고 있는 레이저 자체가 에어로졸 입자를 충전한다는 것을 알게 되었습니다.”

레이저가 전자를 느슨하게 하는 방법

Stöllner와 그녀의 동료들은 입자가 “2광자 과정”을 통해 전하를 얻는다는 사실을 발견했습니다.

에어로졸 입자는 일반적으로 순전하를 거의 전달하지 않으며 전자(음전하를 띤 물질)가 각 원자 내에서 궤도를 돌고 있습니다. 레이저 빔은 광자(빛의 속도로 이동하는 빛의 입자)로 구성됩니다. 두 개의 광자가 동시에 입자에 부딪혀 함께 흡수되면 전자 하나를 제거할 수 있습니다. 전자를 잃으면 입자에 한 단위의 양전하가 주어지며, 계속 노출되면 입자는 점점 더 양전하를 띠게 됩니다.

Stöllner에게는 이 프로세스를 식별하는 것이 새로운 기회를 열었습니다. “이제 우리는 중성에서 높은 전하로 충전되는 하나의 에어로졸 입자의 진화를 정확하게 관찰할 수 있으며 레이저 출력을 조정하여 속도를 제어할 수 있습니다.”

전하가 축적됨에 따라 입자는 갑작스럽고 짧은 폭발로 다시 전하를 잃기 시작합니다. 이러한 자연 방전은 대기 중에서 자연적으로 발생할 수 있는 행동을 암시합니다.

그보다 높은 곳에서는 구름 입자가 비슷한 전하 축적 및 방출 주기를 겪을 수 있습니다.

번개의 첫 번째 불꽃을 찾아서

뇌우 구름에는 얼음 결정과 더 큰 얼음 덩어리가 혼합되어 있습니다. 이들이 충돌하면서 전하를 교환합니다. 시간이 지남에 따라 구름은 전기적으로 불균형을 이루게 되어 번개가 발생합니다. 한 가지 아이디어는 번개의 가장 초기 불꽃이 대전된 얼음 결정에서 직접 발생할 수 있다는 것입니다. 그러나 번개 형성의 정확한 메커니즘은 아직 해결되지 않았습니다. 다른 이론에서는 우주선이 생성하는 하전 입자가 기존 전기장 내에서 가속되기 때문에 우주선이 프로세스를 시작한다고 제안합니다. Stöllner에 따르면 현재 과학적 견해는 두 시나리오 모두에서 구름 내부의 전기장이 자체적으로 번개를 일으키기에는 너무 약해 보인다는 것입니다.

“우리의 새로운 설정을 통해 시간이 지남에 따라 입자의 충전 역학을 면밀히 조사함으로써 얼음 결정 이론을 탐구할 수 있게 되었습니다.”라고 Stöllner는 설명합니다. 구름 속의 자연 얼음 결정은 실험실에서 사용되는 실리카 입자보다 훨씬 크지만, 연구팀은 이러한 소규모 효과를 이해하면 번개를 생성하는 더 큰 과정을 밝힐 수 있기를 바라고 있습니다. “우리 모델의 얼음 결정체는 방전을 보이고 있으며 어쩌면 그 이상의 것이 있을 수도 있습니다. 결국 초소형 번개 불꽃을 생성한다고 상상해 보십시오. 정말 멋질 것입니다.”라고 그녀는 미소를 지으며 덧붙였습니다.