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지구 자기권 플라즈마 난제 풀었다

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지구 자기권 플라즈마 난제 풀었다

2021.07.07 10:41
포스텍 연구팀
왼쪽부터 윤영대 포항가속기연구소 박사와 윤건수 포스텍 교수. 포스텍 제공.
왼쪽부터 윤영대 포항가속기연구소 박사와 윤건수 포스텍 교수. 포스텍 제공.

지구 자기권에서는 서로 반대되는 두 자기장 영역 사이에 갇힌 시트 형태의 플라즈마가 관찰된다. 내부에 전류가 흘러 전류 시트라고도 부른다. 전류 시트 내부는 전류가 만들어내는 자기장에 의한 자기 압력과 플라즈마의 열 압력이 서로 반대로 작용해 평형을 이룬 한 덩어리로 존재한다. 그러나 2003년 유럽우주국(ESA)의 위성 ‘클러스터’가 지구 자기권에서 두 덩어리로 분리된 전류 시트를 관측한 뒤 같은 현상이 지속적으로 관찰되고 있지만 원인은 아직 규명되지 않았다.

 

포스텍은 윤건수 물리학과·첨단원자력공학부 교수와 윤영대 포항가속기연구소 박사 공동연구팀이 분기된 전류 시트 현상의 원인을 규명했다고 7일 밝혔다. 비평형 상태의 플라즈마 전류 시트가 비충돌 평형화하는 과정을 이론적으로 정립하고 미국 항공우주국(NASA)의 위성 데이터와 비교해 둘로 나뉜 전류 시트의 기원을 규명한 것이다. 

 

전류 시트에서 자기력과 열 압력이 서로 완벽하게 평형을 이룬 조건에 관한 연구는 이미 여러 차례 보고됐다. 하지만 비평형 상태에서 평형 상태에 도달하는 과정은 풀리지 않았다. 플라즈마는 일반적으로 비평형 상태에서 시작하기 때문에 이 과정을 규명해야 플라즈마 동역학 현상을 이해할 수 있다. 

 

연구팀은 전류 시트를 이루는 입자들의 궤도 종류와 위상 공간 분포를 고려해 비평형 상태의 전류 시트가 평형을 이뤄가는 과정을 상세히 분석하고 이론을 정립했다. 연구팀이 정립한 이론적 예측은 한국핵융합에너지연구원의 슈퍼컴퓨터 ‘카이로스(KAIROS)’가 수행한 입자 시뮬레이션 결과와 일치했다. 이 시뮬레이션 데이터는 NASA의 위성 ‘MMS’ 측정 데이터와 비교 검증하는 데도 성공했다. 이번 연구는 자기화 플라즈마 역학에 대한 이해를 한층 높일 것으로 기대된다. 

 

윤건수 포스텍 교수는 “전류 시트가 비형평 상태에서 평형 상태로 도달하는 과정과 분리된 전류 시트의 생성 원인이라는 두 가지 난제를 동시에 해결한 것”이라며 “지구 자기권 플라즈마뿐만 아니라 핵융합 과정에서 생성되는 플라즈마에서 발생할 유사한 현상들도 연구할 것”이라고 말했다. 

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