이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 번개 연구에 대한 내용을 소개합니다.
개요
번개는 지구에서 가장 흔한 자연재해 중 하나이며, 지구 온난화로 인해 더 강력한 뇌우와 증가하는 번개 발생의 영향을 이제 막 느끼기 시작했습니다. 그러나 번개가 작동하는 방식에 대해 대기 과학자들이 이해하지 못하는 부분이 여전히 많습니다. 더 나은 번개 데이터는 기상 예보와 경고를 개선하고, 미래에 어디서 재해가 증가할지, 그로 인한 영향으로 발생할 수 있는 산불이나 번개에 대비한 인프라의 필요성을 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
국제우주정거장에서 2년간 운영된 독특한 광학 센서는 이러한 정보 격차를 메우는 데 도움이 될 수 있습니다. 미국 공군 연구소의 지원을 받은 웨스턴 시드니 대학의 연구자들은 사건 기반 비전 센서(EBVS)를 이용해 저렴한 비용, 높은 해상도, 낮은 데이터 전송률로 번개 발생을 기록하는 데 성공했습니다. 웨스턴 시드니 대학 신경형 시스템 국제 센터 부소장인 그레고리 코헨에 따르면, 이 기술은 생물학적 작동 방식을 기반으로 하며 일반적인 카메라로는 볼 수 없는 것들을 관찰할 수 있습니다.
번개는 매우 밝고 빠릅니다. 이미지를 통해 관찰할 수 있지만, 방전 과정에서 어느 시점에 얼마나 많은 에너지가 방출되는지는 알지 못합니다. 또한 번개가 어떻게 형성되어 구름 내부를 이동하는지, 얼마나 자주 방전이 일어나는지에 대한 이해도 부족합니다. 보다 나은 이해와 예측을 위해서는 구름과 구름 사이, 구름과 지면 사이의 번개 특징을 포착해야 합니다.
미국 해양대기청(NOAA) 국가폭풍연구소의 연구 물리학자인 바나 크미엘레스키는 이러한 관찰이 더 많아지기를 바라는 연구자 중 한 명입니다. 그녀에 따르면, 우리는 번개가 발생하거나 전류가 흐르는 위치를 추정하는 지상 관측과 우주에서의 넓은 관측을 가지고 있습니다. 그러나 지상 및 우주 관측을 일치시키고, 다양한 기기가 보는 것을 이해하려는 시도는 어려운 과제라고 설명합니다.
세계 번개 위치 네트워크(WWLLN)와 같은 국제 및 지역 네트워크는 지상 센서를 사용해 무선 신호를 모니터링하여 번개 활동의 지도를 정기적으로 생성합니다. 우주에서는, 미 NOAA와 NASA가 공동 운영하는 정지궤도 환경위성(GOES)의 정지궤도 번개 매퍼가 10km 해상도의 근적외선 CCD 카메라를 이용해 미국 대륙 전역의 주야간 번개를 탐지합니다. 유럽 우주국의 번개 이미저는 최근 유럽과 아프리카에서 유사한 작업을 시작했으며, 중국 기상청도 비슷한 기능을 가진 위성을 발사하고 있습니다.
정지궤도 번개 매퍼 프로그램의 은퇴 수석 과학자인 스티븐 굿맨은, 2040년까지 전 세계 번개를 지도화하는 정지궤도 위성 고리를 갖추게 될 것이라고 말합니다. 그러나 정지궤도에서 대량의 데이터를 반환하는 것은 어렵고, 느리고, 비용이 많이 듭니다. 또한, 지구 전체를 고해상도로 관측하는 데는 한계가 있습니다. 굿맨은 구름 내부에서 전구가 켜지는 것처럼 빛이 구름 꼭대기에서 퍼지는 것을 관찰하는 것이 중요하다고 말하며, 이를 위해 새로운 도구가 필요하다고 설명합니다.
번개를 세밀하게 포착하기 위해 팰컨 뉴로 기기가 사용됩니다. 이 장치는 사건 기반 센서로 구성되어, 장면 내에서 밝기 변화가 특정 임계값을 초과할 때마다 각 픽셀의 ‘이벤트’를 캡처합니다. 결과는 높은 대비와 빠른 관찰 속도를 제공하여 프레임 속도와 데이터 생성량의 관계를 끊습니다. 코헨은 이러한 관찰 방식이 낮은 전력, 빠른 속도, 낮은 데이터 전송률, 높은 동적 범위를 제공하여, 공간에서의 요구 사항을 모두 충족한다고 말합니다.
코헨, 아이오와 대학교의 제프 맥하그와 그의 동료들은 두 개의 대폭 수정된 센서를 사용하여 이미징 장치를 설계했으며, 하나는 아래를, 하나는 전방을 향하게 했습니다. 이 기기는 ISS에 탑재된 상태에서 가시광선 및 근적외선 스펙트럼을 수집합니다. 연구팀은 원시 데이터를 처리하여 미터급 해상도의 이미지로 번개 이벤트를 식별하는 알고리즘을 개발했습니다.
2022년 1월부터 2023년 8월까지 수집된 데이터를 검증하기 위해 연구자들은 지상 기반의 글로벌 번개 탐지 네트워크(GLD360)와 비교했습니다. GLD360이 번개를 기록할 때마다, 팰컨 뉴로는 동일한 시간과 장소에서 다수의 이벤트 클러스터를 기록하는 것을 발견했습니다. 뿐만 아니라, 동일한 구름 내에서 수십 밀리초에 걸쳐 다수의 번개 방전을 감지했습니다. 반면, GLD360은 단일 방전만 기록하여, 팰컨 뉴로가 지상 기기로는 포착할 수 없는 번개 진행의 세부 사항을 기록하고 있음을 보여주었습니다. 이러한 고속 기록은 5001000fps에 해당하지만, 데이터 생성량은 34Mbps에 불과했습니다. 이는 현재 다른 센서로 소형 위성에서 구현할 수 없는 수준입니다.
크미엘레스키는 이러한 궤도 내 첫 실험이 매우 흥미롭다고 말합니다. 한편, 굿맨은 우주 기반 센서가 구름 내 번개 탐지에 적합하고 지상 기반 센서가 구름-지면 번개 탐지에 적합하다고 설명하며, 각 장비가 서로 다른 공백을 메워주는 방식으로 글로벌 번개 모니터링이 이루어질 것이라고 강조합니다.
코헨은 이 시연이 1990년대의 카메라 부품을 사용한 것이라고 설명하며, 현재 우편 우표 크기의 초점면 배열이 내년에 탑재될 차세대 기기에서는 훨씬 커질 것이라고 덧붙입니다.
마무리
이번 포스팅에서는 지구 상에서 빈번하게 발생하는 번개의 비밀을 풀기 위해 다양한 연구자들이 수행하고 있는 최신 연구와 기술 발전에 대해 살펴보았습니다. 특히, 우주 기반 센서와 사건 기반 비전 센서의 활용이 번개 관측의 한계를 어떻게 극복하고 있는지, 그리고 이를 통해 미래의 기상 예보와 번개로 인한 재해 대응을 개선할 수 있는 가능성에 대해 논의했습니다. 앞으로도 이러한 혁신적인 기술이 더욱 발전하여, 우리는 기상 재해에 더 효과적으로 대비할 수 있는 새로운 지식과 도구를 얻게 되길 기대합니다.