'블랙 오로라'의 비밀 풀었다

이관철 핵융합연 연구원, 플라즈마 경계 영역 전기장 발생 원리 밝혀
자체 개발한 '자이로중심 이동분석법' 활용···'피직스 오브 플라즈마'에 게재
 어두운 띠로 나타나는 영역을 블랙오로라(black aurora)라 한다. <자료=핵융합연 제공> 어두운 띠로 나타나는 영역을 블랙오로라(black aurora)라 한다. <자료=핵융합연 제공>

오로라의 어두운 부분인 '블랙 오로라'에서 발생하는 강한 전기장의 비밀이 밝혀졌다. 

국가핵융합연구소(소장 직무대행 유석재)는 이관철 KSTAR 연구센터 책임연구원이 핵융합장치에서 발생하는 플라즈마 현상을 분석하는 방법을 활용해 오로라와 같은 지구 이온층에서 발생하는 전기장의 원리를 규명했다고 22일 밝혔다. 

블랙오로라는 극지방에서 관찰되는 오로라 중 어둡게 보이는 부분으로 이 부분에 인공위성이 지나갈 때 강한 전기장이 측정된다. 

이는 통신장애의 원인이 되기도 하는 오로라의 신비로운 현상 중 하나로 1990년대 스웨덴의 인공위성에 의해 측정 결과가 발표됐으나 그 발생 원리에 대한 명확한 규명은 현재까지 이뤄지지 않고 있었다. 

이 연구원은 오로라에서 발생하는 강한 전기장의 원리를 핵융합장치에서 만들어진 초고온 플라즈마에서 나타나는 전기장 발생 현상과 동일한 방법으로 설명할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 

핵융합장치 내부에 만들어지는 초고온 플라즈마의 가장자리 부분에는 이온화 되지 않은 원자나 분자 상태의 중성입자가 존재한다. 이 중성입자들은 플라즈마를 구성하는 이온들과 충돌하여 반응을 일으킨다. 

이때 핵융합장치에서 발생하는 자기장에 의해 나선 운동을 하던 이온들은 직선 운동을 하는 중성입자와 충돌하면서, 나선 운동의 축 위치가 변경된다. 

자이로중심 이동분석법. <자료=핵융합연 제공>자이로중심 이동분석법. <자료=핵융합연 제공>

이 연구원은 직접 개발한 '자이로중심 이동분석법'을 적용해 중성입자와 이온의 충돌에 의한 이온의 위치 변경 때문에 플라즈마 경계면에서 전기장이 발생한다는 사실을 알아냈다.     

블랙오로라에서 나타나는 강한 전기장 역시 핵융합플라즈마와 마찬가지로 이온과 중성입자의 상호작용에 의한 현상이라는 것을 규명한 것. 

그는 또 적도 부근 고도 약 100 km 상공의 지구이온층에서 정오 무렵 동쪽으로 발생하는 전류 현상인 적도고층전류(Equatorial Electro Jet)에서 관측된 수직 방향의 전기장 역시 같은 방식으로 설명할 수 있다는 것도 밝혀냈다. 

이 연구원은 "인공태양이라고도 불리는 핵융합 장치에서 만드는 초고온 플라즈마는 우주와 유사한 현상을 보인다"며 "핵융합플라즈마 연구 과정에서 나온 결과가 오로라와 같은 자연현상에서 발생하는 물리법칙을 규명한 것도 흥미로운 결과지만, 이 같은 방법으로 핵융합연구의 난제를 해결할 수 있다는 사실을 알리고 싶었다"고 밝혔다. 

이번 연구 성과는 플라즈마 물리학 분야 국제학술지인 '피직스 오브 플라즈마(Physics of Plasmas)' 지난 15일자에 실렸다.    
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