인듀어런스 로켓 우주선이 스발바르 제도의 뉘올레순(Ny-Ålesund)에서 발사됩니다. 사진 제공: Andøya Space/Leif Jonny Eilertsen
국제 과학자 팀은 NASA의 준궤도 로켓의 관측 자료를 사용하여 중력과 자기장만큼이나 지구의 근본적인 것으로 생각되는 행성 전체의 전기장을 처음으로 성공적으로 측정했습니다.
양극 전기장(ambipolar electric field)으로 알려진 이 전기장은 60여 년 전에 지구의 대기가 지구의 북극과 남극 위로 빠져나갈 수 있는 방법을 만들었다는 가설을 처음 세웠습니다.
NASA의 인듀어런스 미션인 로켓의 측정은 양극장의 존재를 확인하고 그 강도를 정량화하여 대기 탈출을 유도하고 상층 대기층인 전리층을 더 광범위하게 형성하는 역할을 드러냈습니다.
지구 대기의 복잡한 움직임과 진화를 이해하면 지구의 역사에 대한 단서를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 다른 행성의 신비에 대한 통찰력을 얻고 어떤 행성이 생명체에게 호의적일 수 있는지 결정할 수 있습니다. 이 주제에 대한 연구 논문은 Nature 저널에 게재되었습니다.
입자를 우주로 끌어당기는 전기장
1960년대 후반부터 지구의 극지방 위를 비행하는 우주선은 대기에서 우주로 흘러 들어가는 입자 흐름을 감지했습니다. 이론가들은 "극지방의 바람"이라고 명명한 이 유출을 예측했고, 그 원인을 이해하기 위한 연구에 박차를 가했습니다.
대기에서 어느 정도의 유출은 예상되었습니다. 여과되지 않은 강렬한 햇빛은 물이 담긴 냄비에서 증발하는 증기와 같이 공기 중의 일부 입자가 우주로 빠져나가게 해야 합니다. 그러나 관측된 극지방의 바람은 더 신비로웠습니다. 그 안에 있는 많은 입자들은 차가웠고, 가열된 흔적은 전혀 없었지만, 그것들은 초음속으로 움직이고 있었습니다.
"무언가가 이 입자들을 대기 밖으로 끌어내야 했습니다"라고 메릴랜드주 그린벨트에 있는 NASA 고다드 우주비행센터의 인듀어런스 수석 연구원이자 논문의 주저자인 글린 콜린슨(Glyn Collinson)은 말했습니다. 과학자들은 아직 발견되지 않은 전기장이 작용하고 있을 수 있다고 생각했습니다.
아원자 규모에서 생성된 가설된 전기장은 믿을 수 없을 정도로 약할 것으로 예상되었으며, 그 영향은 수백 마일 이상에서만 느낄 수 있었습니다. 수십 년 동안 이를 감지하는 것은 기존 기술의 한계를 넘어서는 일이었습니다. 2016년, 콜린슨과 그의 팀은 지구의 양극장을 측정할 수 있다고 생각한 새로운 기기를 발명하기 시작했습니다.
북극에서 로켓 발사
이 팀의 장비와 아이디어는 북극에서 발사되는 준궤도 로켓 비행에 가장 적합했습니다. 어니스트 섀클턴(Ernest Shackleton)이 1914년 남극 대륙으로 유명한 항해를 떠날 때 태운 배에 경의를 표하기 위해 팀은 그들의 임무를 인듀어런스(Endurance)라고 명명했습니다. 과학자들은 북극에서 불과 수백 킬로미터 떨어진 노르웨이 군도이자 세계 최북단의 로켓 발사장이 있는 스발바르로 항로를 설정했습니다.
2022년 5월 11일, 인듀어런스호는 발사되어 고도 477.23마일(768.03km)에 도달했으며 19분 후 그린란드해에 떨어졌습니다. 인듀어런스는 322마일 고도 범위에서 데이터를 수집하면서 측정한 전위 변화는 0.55 볼트에 불과했습니다.
"0.55 볼트는 거의 아무것도 아니며 시계 배터리만큼 강합니다. 하지만 그것은 극지방의 바람을 설명하기에 딱 좋은 양입니다"라고 Collinson은 말했습니다.
극풍에서 가장 풍부한 유형의 입자인 수소 이온은 이 장에서 중력보다 10.6배 더 강한 바깥쪽 힘을 경험합니다.
"그것은 중력에 대항하기에 충분하고도 남음이 있으며, 실제로 초음속으로 우주로 발사하기에 충분합니다"라고 NASA 고다드(Goddard)의 인듀어런스 프로젝트 과학자이자 논문의 공동 저자인 알렉스 글로서(Alex Glocer)는 말했다.
더 무거운 입자도 부스트를 얻습니다. 같은 고도에 있는 산소 이온이 이 0.55 볼트의 자기장에 잠겨 있으면 무게가 절반으로 감소됩니다. 일반적으로 팀은 양극 필드가 전리층의 "스케일 높이"로 알려진 것을 271% 증가시킨다는 것을 발견했으며, 이는 전리층이 없을 때보다 더 높은 높이로 유지된다는 것을 의미합니다.
"마치 대기를 우주로 끌어올리는 컨베이어 벨트와 같습니다"고 콜린슨은 덧붙였습니다.
인듀어런스의 발견은 탐험을 위한 많은 새로운 길을 열었습니다. 중력 및 자기와 함께 지구의 기본 에너지장인 양극장(ambipolar field)은 우리가 이제 탐구를 시작할 수 있는 방식으로 대기의 진화를 지속적으로 형성했을 수 있습니다. 대기의 내부 역학에 의해 생성되기 때문에 금성과 화성을 포함한 다른 행성에도 유사한 전기장이 존재할 것으로 예상됩니다.
"대기가 있는 모든 행성은 양극장(ambipolar field)을 가져야 합니다. 이제 우리는 마침내 그것을 측정했기 때문에 시간이 지남에 따라 그것이 우리 행성과 다른 행성을 어떻게 형성했는지 배우기 시작할 수 있습니다."리고 콜린슨은 말했습니다.
이상의 기사는 2024년 8월 28일 Phys.org에 게재된 “Scientists discover a long-sought global electric field on Earth”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Scientists discover a long-sought global electric field on Earth (phys.org)
* 추가정보 출처 : Earth’s ambipolar electrostatic field and its role in ion escape to space | Nature
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