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[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발
- 미국 스탠퍼드 대학교 연구팀이 칩 크기의 초소형 티타늄 사파이어(Ti:sapphire)레이저 개발에 성공했다. 이 레이저는 기존 티타늄 이온 도핑 사파이어 크리스탈로 만든 티타늄 사파이어 또는 Ti:사파이어 레이저보다 4배 작고 비용은 3배 더 저렴하며 효율성도 크게 향상되었다고 IFL이 3일(현지시간) 전했다. 기존 티타늄 사파이어 레이저는 높은 가격과 큰 부피, 그리고 구동을 위한 여러 대의 고출력 레이저가 필요하다는 단점이 있었따. 스탠퍼드리포트는 이번에 새로 개발 티타늄-사파이어 레이저에 대해 "'타의 추종을 불허하는 성능'을 가진 것으로 간주된다"고 전했다. 이어 "레이저는 최첨단 양자 광학, 분광학, 신경 과학을 포함한 많은 뷴야에서 없어서는 안 된다. 하지만 그 성능은 엄청난 대가를 치른다"면서 "Ti:sapphire는 부피가 입방 피트9볼링 공 4개 정도의 공간을 차지함)에 달할 정도로 크고 비용도 수십만 달러에 이른다. 또한 3만 달러 이상에 달하는 다른 고출력 레이저가 있어야 작동한다"며 기존 레이저의 단점을 지적했다. 스탠퍼드대 전기공학과 교수이자 칩 크기의 Ti:사파이어 레이저 논문의 시니어 저자인 옐레나 부치코비치(Jelena Vučković)는 "이것은 기존 모델에서 완전히 벗어난 것"리하고 말했다. 그는 "크고 값비싼 레이저 한 대가 아닌, 하나의 칩에 수백대의 레이저를 탑재할 수 있는 시대가 곧 올 것"이라고 전망했다. 연구팀은 티타늄 사파이어를 이산화규소(sio2) 절연체 위에 장착하고 수백 나노미터 두께의 티타늄 사파이어 층을 정밀하게 연마하고 에칭하여 소용돌이 모양의 융기, 즉 도파관을 형성했다. 이 도파관을 통과하는 빛은 소형 히터를 사용해 가열되며 사용자가 필요에 따라 레이저 파장을 조정할 수 있도록 한다. 즉, 연구팀은 마이크로스케일 히터를 통해 방출되는 빛의 파장을 변경해 빛의 색상을 700~1000나노미터(적색에서 적외선까지) 사이에서 원하는 대로 조절할 수 있었다. 또한 레이저 크기 축소는 강도를 높여 효율성을 향상시키는 효과도 있었다. 이 소형 레이저는 양자 광학, 분광학, 신경 과학 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 넓은 파장 범위에서 에너지를 방출하는 탁월한 이득 대역폭과 1000조 분의 1초마다 빛 펄스를 방출하는 초고속 특성을 가지고 있다. 이는 기존 레이저보다 약 14배 빠른 속도다. 부치코비치 교수와 공동 제1저자인 조슈아 양과 연구팀은 이 새로운 레이저가 다양한 분양에 미칠 영향에 대해 큰 기대를 걸고 있다. 양자 물리학 분야에서는 이 저렴하고 실용적인 레이저가 최첨단 양자 컴퓨터의 소형화를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 예상된다. 신경 과학 분야에서는 광섬유를 통해 뇌 속 뉴런을 빛으로 조절하는 광유전적 연구에 즉각적인 활용이 가능할 것으로 보인다. 소형 레이저를 활용하면 더욱 작은 프로브(probe, 뇌 활동을 측정하고 자극하는 데 사용되는 도구)를 개발해 새로운 실험 방법을 모색할 수 있다. 안과 분야에서는 노밸상 수상 기술은 '처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)'을 이용한 레이저 수술에 새로운 방식으로 활용되거나, 망막 건강 평가에 사용되는 광 간섭 단층 촬영 기술을 더 저렴하고 작게 만들수 있을 것으로 기대된다. 칩 형태의 레이저는 기볍고 휴대성이 뛰어나며 저렴하고 효율적이다. 그리고 대량 생산이 가능하다. 양 연구원은 "우리는 단일 4인치 웨이퍼에 수 전개의 레이저를 놓을 수 있었다"며 그렇게 되면 레이저당 비용이 거의 0이 되기 시작한다. 이는 매우 흥미로운 일이다"고 말했다. 연구팀은 이번 연구 결과가 티타늄 사파이어 레이저의 대중화에 기여할 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발
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[우주의 속삭임(19)] 우주의 새벽에 최초로 병합되는 은하핵 '퀘이사 쌍' 발견
- 은하계는 광대하지만, 여전히 충돌하고 합쳐지며 겹쳐진다. 그런 가운데 일본 에히메 대학의 마쓰오카 요시키 교수를 필두로 한 국제 천문학자 팀이 지금까지 발견된 것 중 가장 먼 우주 가장자리에서 한 쌍의 퀘이사(Quasar)를 발견했다고 퍼퓰러사이언스가 전했다. 연구팀은 하와이에 있는 지상 제미니 노스(Gemini North) 및 스바루 망원경으로 이를 관측하고 데이터를 분석했다. 발견된 두 개의 은하핵 퀘이사는 먼지와 가스가 중앙의 초거대 블랙홀로 떨어지는 가운데 서로 합쳐(병합)지고 있다. 그 과정에서 이 퀘이사 쌍은 엄청난 양의 빛을 방출했다. 연구팀은 이 빛을 찾아냈고, 이것이 두 개의 퀘이사 쌍임을 밝혔다. 연구팀은 발견된 퀘이사 쌍이 우주의 새벽(Cosmic Dawn: 빅뱅 이후 약 5000만~10억 년), 즉 초창기 우주 여명기에 해당하는 은하핵이라고 말했다. 특히 우주의 새벽 중에서도 우주 암흑기를 끝내고 별과 은하와 같은 요즘과 같은 천체가 구성되기 시작하고 어두운 우주가 처음으로 빛으로 가득 찰 무렵인 ‘재이온화 시기’에 해당하는 천체다. 퀘이사란? 우주는 빅뱅 이후 거의 140억 년 동안 팽창해 왔다. 초기 우주는 지금보다 매우 작았으며 은하계 서로 상호 작용하고 병합될 가능성이 컸다. 퀘이사는 거대 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성되는 발광체를 말한다. 블랙홀은 퀘이사의 중심에 있으며, 주위에는 원반이 둘러싸고 있고, 원반 물질은 소용돌이 모양으로 회전하며 블랙홀로 빨려 들어간다. 은하 병합은 가스와 먼지가 초거대 질량의 블랙홀로 떨어지면서 퀘이사를 밝게 빛나게 하는 에너지다. 블랙홀로 떨어지는 원반 물질의 중력 에너지는 빛 에너지로 바뀌고, 여기에서 거대한 빛이 방출된다. 즉, 퀘이사는 지구에서 멀리 떨어진 우주 가장자리에서 발견되는 광원으로서, 멀리 떨어져 있기 때문에 우주 탄생 초창기인 우주의 새벽 시기의 천체다. 재이온화 시대의 의미 천문학자들은 우주의 재이온화 시대를 빅뱅 이후 대략 4억 년으로 잡는다. 우주 탄생 직후 우주 온도가 높았을 때는 수소의 양성자와 전자가 분리돼 이온화된 상태였다. 시간이 지나면서 우주의 온도는 낮아졌고, 양성자와 전자는 중성수소 원자로 결합됐다. 이를 우주 재결합시대라고 한다. 그 후 일어난 우주 재이온화는 중성수소 원자가 양성자와 전자로 다시 이온화되던 시기를 말한다. 천문학자들에 따르면 재이온화 시대 당시의 수소 이온화는 우주 역사에서 매우 중요한 시대였다. 이 시기는 우주의 암흑시대의 종말이며, 오늘날 지구상에서 볼 수 있는 별이 빛나는 은하구조의 시작이었다. 이번에 발견된 방합 중인 퀘이사는 우주 암흑기를 지나 최초의 별과 은하가 나타났던 우주의 새벽 기간, 그 중에서도 우주 재이온화 시대에서 나타난 것이다. 빨간색 광원 퀘이사 쌍의 합병 천문학자들은 우주의 재이온화 시대에 퀘이사가 수행한 정확한 역할을 이해하기 위해 우주의 초기 및 먼 시대에서 퀘이사를 찾고 있다. 마쓰오카 교수는 "재이온화 시대 퀘이사의 통계적 특성은 재이온화의 진행과 기원, 우주의 새벽 동안 초거대 블랙홀의 형성, 퀘이사 은하의 최초 진화 등 많은 것을 말해준다"고 말했다. 재이온화 시대에 약 300개의 퀘이사가 발견됐지만, 쌍을 이루는 퀘이사가 관측된 것은 이번이 처음이다. 연구팀의 퀘이사 발견은 우연이었다. 망원경으로 촬영한 이미지를 검토하다가 희미한 빨간색 광원을 발견했던 것. 팀은 그러나 나타난 붉은 색 광원 두 개가 퀘이사 쌍이었는지를 확신할 수 없었다. 팀은 스바루 망원경과 제미니 노스의 분광기를 사용해 빛을 분석했고, 결국 두 개의 블랙홀을 품은 퀘이사 쌍임을 확인했다 또한 둘 사이에 가스로 이어진 다리 구조도 찾아냈다. 연구팀은 감지된 빛의 일부가 실제로 퀘이사 자체에서 나오는 것이 아니라고 추정했다. 팀은 또한 중앙에 있는 두 개의 블랙홀이 태양 질량의 약 1억 배에 달하는 크기임을 밝혔다. 발견된 현상을 종합해 보면 두 퀘이사는 대규모의 합병을 진행하고 있음을 시사했다. 재이온화 시대의 병합 퀘이사 존재는 오랫동안 예상돼 왔지만, 이번에 처음으로 확인된 순간이었다.
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[우주의 속삭임(19)] 우주의 새벽에 최초로 병합되는 은하핵 '퀘이사 쌍' 발견
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[우주의 속삭임(11)] 태양계 6개 행성 정렬 '우주쇼' 6월 초 만난다
- 태양계의 6개 행성이 일렬로 정렬하는 보기 드문 현상이 지구의 하늘에서 6월 초 포착될 예정이다. 수성, 화성, 목성, 토성, 해왕성, 천왕성 등 태양계의 6개 행성이 2024년 6월 3일 짧은 시간 동안 '행성 퍼레이드'로 알려진 일렬 정렬 현상이 나타날 예정이라고 사이언스얼럿이 전했다. 이번 행성 정렬에는 초승달도 참여하지만 금성만은 유일하게 찾아볼 수 없다. 한 번에 여러 행성이 하늘에 있는 경우는 드물지 않지만, 여러 행성이 일렬로 정렬하는 경우는 흔하지 않다. 5~6개의 행성이 모이는 것을 큰 정렬이라고 하며 5개 행성 정렬이 6개보다 훨씬 더 빈번하게 발생한다. 이러한 정렬은 아래 태양계의 도표나 그림에서 볼 수 있는 것처럼 행성이 우주에 일렬로 늘어선 모습이 아니다. 안타깝게도 우주에서 실제로 일어나는 일은 아니다. 행성 정렬은 태양계의 모든 행성이 황도라는 평평한 평면에서 태양을 어느 정도 공전하기 때문에 발생한다. 일부 행성은 이 횡도보다 약간 위 또는 아래에 있지만 거의 동일하게 나란히 있는 수준이다. 이는 태양을 포함한 별이 형성되는 방식 때문에 관측 가능하다. 물질 구름 속의 아기 별이 회전하기 시작하면 주변의 구름이 소용돌이치며 원반이 되어 아기 별을 먹이로 삼는다. 원반의 잔해에서 행성이 형성되며, 그대로 두면 그 위치에 그 상태로 머물게 된다. 때때로 행성들이 궤도를 따라 이동하면서 태양의 같은 쪽에 위치하게 되므로 우리는 하늘에서 동시에 나란히 서 있는 것같은 행성들을 볼 수 있다. 즉, 이 행성들은 모두 황도에 있기 때문에 일직선상에 있는 것처럼 보이는 것이다. 미국에서는 오는 6월 3일과 4일 사이 일출 약 한 시간 전에 행성 퍼레이드가 일어난다. 수성, 화성, 목성, 토성은 육안으로 볼 수 있을 만큼 밝지만 천왕성과 해왕성은 너무 멀고 희미하기 때문에 관측하기 위해서 쌍안경이나 망원경이 필요하다. 앞으로 몇 달 동안 같은 태양계 행성들의 정렬이 몇 차례 더 예정되어 있다. 2024년 8월 28일과 2025년 1월 18일에는 모두 새벽 시간대에 6개의 행성으로 이루어진 대규모 행성 정렬을 볼 수 있다. 2025년 2월 28일 저녁에는 다른 7개 행성이 모두 동시에 하늘에 나타날 것이다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(11)] 태양계 6개 행성 정렬 '우주쇼' 6월 초 만난다
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[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지
- 스위스 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 연구팀이 최초로 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀에서 전자 소용돌이를 직접 검출하는 데 성공했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 14일(현지시간) 보도했다. 금속 와이어와 같은 일반적인 전기 도체를 배터리에 연결하면 도체 내의 전자는 배터리가 생성하는 전기장에 의해 가속된다. 전자는 이동하는 동안 전선의 불순물 원자 또는 결정 격자의 빈 공간과 자주 충돌해 운동 에너지의 일부를 격자 진동으로 변환한다. 이 과정에서 손실되는 에너지는 예를 들어 백열전구를 만질 때 느낄 수 있는 열로 변환된다. 격자 불순물과의 충돌은 자주 발생하지만 전자 간의 충돌은 훨씬 드물다. 그러나 벌집 모양 격자로 배열된 탄소 원자 단일층인 그래핀을 일반적인 철 또는 구리 와이어 대신 사용하면 상황이 달라진다. 그래핀에서 불순물 충돌은 드물고 전자 간 충돌이 주요 역할을 한다. 이 경우 전자는 점성 액체처럼 행동한다. 따라서 잘 알려진 흐름 현상인 소용돌이(와류)가 그래핀 층에서 발생해야 한다. ETH 취리히의 크리스티안 데겐(Christian Degen) 연구원은 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀의 전자 소용돌이를 처음으로 직접 감지하는 데 성공했다고 '사이언스(Science)' 저널에 보고했다. 고감도 양자 감지 현미경 데겐과 그의 동료 연구원들은 제작 과정에서 폭 1㎛(마이크로미터) 너비의 전도성 그래핀 스트립에 부착한 작은 원형 디스크에 형성된 소용돌이를 연구했다. 디스크의 직경은 1.2㎛에서 3㎛사이였다. 이론적 계산에 따르면 작은 디스크에서는 전자 소용돌이가 형성되지만 큰 디스크에서는 형성되지 않아야 한다. 소용돌이를 가시화하기 위해 연구팀은 그래핀 내부에 흐르는 전자가 생성하는 미세한 자기장을 측정했다. 이를 위해 연구팀은 다이아몬드 바늘 끝에 질소-공동 센터(Nitrogen-vacancy center, NV 센터)가 내장된 양자 자기장 센서를 사용했다. 원자 결함인 NV 센터는 외부 자기장에 따라 에너지 레벨이 변하는 양자 물체처럼 작동한다. 레이저 빔과 마이크로웨이브 펄스를 사용하면 센터의 양자 상태를 자기장에 최대 감도를 갖도록 준비할 수 있다. 연구원들은 레이저를 사용해 양자 상태를 판독함으로써 이러한 자기장의 세기를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 데겐 연구팀의 박사 과정 학생이었던 마리우스 팜은 "다이아몬드 바늘의 크기가 작고 그래핀 층과의 거리가 약 70나노미터에 불과하기 때문에 100나노미터 미만의 해상도로 전자 전류를 볼 수 있었다"고 말했다. 이 분해능은 소용돌이를 관찰하기에 충분하다. 소용돌이 흐름 방향 반전 관찰 연구팀은 측정에서 더 작은 디스크에서 예상되는 소용돌이의 특징적인 징후, 즉 흐름 방향의 반전을 관찰했다. 일반(확산) 전자 수송에서는 스트립과 디스크의 전자가 같은 방향으로 흐르지만, 소용돌이의 경우 디스크 내부의 흐름 방향이 반전된다. 계산에서 예측한 대로 더 큰 디스크에서는 소용돌이가 관찰되지 않았다. 팜은 "매우 민감한 센서와 높은 공간 분해능 덕분에 그래핀을 냉각할 필요도 없었고 상온에서 실험을 수행할 수 있었다"고 말했다. 또한, 연구팀은 전자 와류뿐만 아니라 정공 캐리어에 의해 형성된 와류도 감지했다. 그래핀 아래에서 전압을 가함으로써, 연구원들은 전류 흐름이 더 이상 전자가 아닌 정공이라고도 하는 누락된 전자에 의해 전달되도록 자유 전자의 수를 변경했다. 전자와 정공이 모두 작고 균형 잡힌 농도가 있는 전하 중립점에서만 와류가 완전히 사라졌다. 팜은 "현재 전자 소용돌이의 탐지는 기초 연구이며 아직 미해결 과제가 많이 남아 있다"고 말했다. 연구팀은 전자와 그래핀의 경계면과의 충돌이 흐름 패턴에 어떤 영향을 미치는지, 더 작은 구조에서 어떤 효과가 발생하는지 추가 연구를 진행할 계획이다. 출처: Marius L. Palm 외, '상온에서 그래핀의 전류 소용돌이 관찰', Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj2167
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[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지
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[우주의 속삭임(5)] '지구의 쌍둥이' 금성에서 물이 사라진 이유는?
- 행성을 연구하는 콜로라도대학 볼더 캠퍼스(University of Colorado Boulder)의 과학자들이 뜨겁고 사람이 살 수 없는 지구의 이웃 금성이 건조해진 이유를 밝혀 냈다고 PHYS가 보도했다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 행성 대기의 수소 원자가 ‘해리성 재결합(dissociative recombination)’이라고 알려진 화학반응을 통해 우주로 수분을 날려버렸다는 사실을 발견했다. 이로 인해 금성은 과거의 추정치에 비해 매일 약 두 배의 물을 잃게 됐다고 한다. ‘해리’는 전자의 충돌에 의해 분자가 작게 분해되는 현상이며 해리성 재결합은 그 역작용을 말한다. 이번 연구 결과로 은하계 전역의 수많은 행성에서 물이 어떤 현상을 일으키는지 설명할 수 있다는 평가다. 이 연구 결과는 최신 '네이처' 저널에 발표됐다. 지구상의 모든 물을 토스트에 잼을 바르듯 지구 전체에 뿌리면 약 3km 깊이의 물 층이 생긴다. 같은 방식을 금성에 적용하면 금성은 발가락이 젖을 정도인 3cm 정도가 된다. 연구팀원이었던 대기 및 우주 물리학 연구소(LASP) 연구원 마이클 채핀 박사에 따르면 금성은 크기와 질량이 지구와 같지만, 물은 지구보다 10만 배 적다고 한다. 연구팀은 컴퓨터 모델을 사용해 금성을 거대한 화학 실험실로 가정하고 행성의 소용돌이치는 대기에서 발생하는 다양한 반응을 관측했다. 관측에서 금성 대기층에 있는 HCO+(수소, 탄소, 산소 각각의 원자 하나로 구성된 이온)라는 분자가 금성의 물 상실의 원인일 수 있다는 결과가 나왔다. 연구팀원인 LASP 에린 캔지 박사는 ”이번 발견을 통해 한때 지구와 거의 동일한 것으로 보였던 금성이 오늘날 이처럼 마른 이유에 대한 새로운 힌트를 제시했다“고 말했다. 캔지는 금성이 과거에도 사막이었던 것은 아니라고 지적했다. 과학자들은 수십억 년 전 금성이 형성될 때 금성에도 지구만큼 많은 물이 있었을 것으로 추정하고 있다. 그러나 어느 순간 재앙이 닥쳤다. 금성 대기의 이산화탄소 구름은 태양계에서 가장 강력한 온실효과를 일으켰고, 결국 표면 온도를 섭씨 480도까지 올렸다. 그 과정에서 금성의 모든 물은 증발했고 대부분 우주로 날아갔다. 그러나 당시의 증발은 금성이 오늘날처럼 완전히 건조한 이유나 계속해서 우주로 물을 상실하는 이유는 설명해 주지 못한다. 물병에 담긴 물을 버려도 여전히 일부 물기는 남아 있는데, 금성의 경우 지금은 남은 물방울도 거의 모두 사라졌다. 새로운 연구에 따르면 그 범인은 바로 HCO+라는 것이다. 연구팀은 금성의 상층 대기에서 물이 이산화탄소와 혼합되어 HCO+ 분자를 형성한다고 설명했다. 이전 연구에서도 연구원들은 HCO+가 화성이 많은 양의 물을 잃는 원인일 수 있다고 발표한 바 있다. 금성에서 HCO+는 대기에서 지속적으로 생성되지만, 오랫동안 잔존하지 못한다. 대기 중의 전자는 이러한 HCO+ 이온을 찾아 재결합하여 원자들을 분리한다. 그 과정에서 수소 원자는 우주로 빠르게 빠져나갈 가능성이 높아진다. 즉, 금성에서 물의 두 가지 구성 요소인 수소와 산소 중 하나인 수소를 빼앗아 가는 것이다. 물이 줄어들 수밖에 없는 상황이다. 연구팀은 금성의 건조 상태를 확실하게 설명할 수 있는 유일한 방법은 금성이 대기에 예상보다 많은 양의 HCO+를 보유하고 있는지의 여부라고 판단한다. 아직 금성 주변에서 HCO+의 양을 관측한 사례는 없다. 이번 연구 결과가 사실임이 증명되려면 HCO+가 실제로 금성 대기에서 가장 풍부한 이온이라는 것을 증명하는 것이라고 채핀은 말했다. 화성으로 향했던 우주 미션은 또 다른 변화를 맞이하고 있다. 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 우주 프로젝트가 금성을 목표로 하고 있다. 나사(NASA)가 계획한 비활성 가스, 화학 및 이미징에 대한 금성 대기 조사(다빈치, DAVINCI) 임무는 탐사선을 금성의 대기를 통해 금성 표면에 착륙시키는 것이다. 캔지는 "금성에 대한 프로젝트는 많지 않았지만 새로 계획된 임무들은 수십 년의 경험을 활용해 극한의 행성 대기, 진화 및 생명체 거주 가능성을 탐구할 것”이라고 기대했다.
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[우주의 속삭임(5)] '지구의 쌍둥이' 금성에서 물이 사라진 이유는?
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[기후의 역습(1)] 남극 얼음에 거대한 구멍 뚫린 이유, 50년 만에 규명
- 남극 웨들해(Antarctic Weddell Sea)의 해빙에는 때로 거대한 구멍이 만들어지거나 틈이 벌어져 어둡고 차가운 바닷물이 드러난다. 이 구멍을 폴리냐(Polynyas)라고 부른다. 웨들해 근처에는 깊이 1000m에 달하는 물에 잠긴 봉우리 모드 라이즈(Maud Rise)가 있다. 지난 1974년 이 근처에서 폴리냐가 처음 발견됐다. 그래서 이 폴리냐는 ‘모드 라이즈 폴리냐’라고 명명됐다. 모드 라이즈 폴리냐가 어떻게 생성됐는지는 수수께끼였다. 구멍이 매년 드러나지 않기 때문에 과학자들은 구멍을 생성하는 데 필요한 특정 조건을 파악하기 어려웠던 것이다. 수십 년 동안의 연구 결과 마침내 그 퍼즐의 마지막 조각이 맞춰졌다고 과학전문 매체 사이언스얼러트가 전했다. 모드 라이즈 폴라냐는 2016년과 2017년에 다시 나타났다. 이 시기 이후 몇 년 동안 과학자들의 궁금증에 대한 실마리가 나타났다. 위성 이미지, 부유하는 관측기구, 센서가 장착된 물개, 컴퓨터 모델링 등을 조합해 여러 단서가 도출됐던 것이다. 그 중 결정적인 것은 바람이 끌어당기는 해류가 형성하는 에크만 나선(Ekman spiral)이라는 현상이다. 바람이 일정한 방향으로 계속 불면 표면 해수는 일정한 각도로 움직이고, 해수의 움직임은 아래로 전달돼 하층 해수를 이동시킨다. 위와 아래의 흐름이 다르기 때문에 위에서 내려다 보면 흐름이 나선형을 보인다. 이를 에크만 나선이라고 하며, 그 해류의 흐름을 에크만 수송이라 부른다. 해수의 흐름과 용승(에크만 수송으로 표층에서 발산하는 해수를 채우기 위해 하층에서 상층으로 해수가 이동하는 현상) 등에 지대한 영향을 미친다. 폴리냐는 해안 가까이에서는 흔히 볼 수 있는 현상이며, 물개나 고래와 같은 해양 포유류가 숨을 쉬기 위한 창문으로도 사용된다. 그러나 바다로부터 멀리 떨어질수록 보기 힘들다. 모드 라이즈 폴리냐 얼음 구멍은 반세기 전 위성 이미지에서 처음 발견됐다. 1974년 첫 발견 당시에는 구멍의 사이즈가 뉴질랜드와 맞먹을 정도였다. 1975년과 1976년에도 보였지만, 그 이후에는 거의 발견되지 않았다. 그러다가 2016년과 2017년 웨들해 주변에서 다시 강하게 나타났던 것. 2017년의 모드 라이즈 폴리냐는 1970년대 이후 가장 크고 오래 지속된 사례였다. 당연히 과학자들의 관심을 끌었고 연구 대상이 됐다. 연구 결과 한 가지 주요인은 2016년과 2017년에 특히 강했던 웨들해 주변의 순환 해류였다. 그 결과 따뜻하고 특히 염도가 높은 물이 용승했다는 것이다. 연구팀의 스웨덴 예테보리 대학 해양학자 파비앙 로케는 용승은 해빙이 어떻게 녹을 수 있는지를 설명해 준다고 설명한다. 해빙이 녹으면 표면의 물은 신선해지기 때문에, 폴리냐가 지속되기 위해서는 어딘가에서 추가로 소금이 유입되어야 한다는 것이다. 용승이 일어나게 된 원인이 여기에서 설명이 된다. 소금은 물의 빙점을 크게 낮춘다. 따라서 폴리냐의 바닷물이 특히 염도가 높으면 구멍의 지속적으로 유지되는 것이 설명된다. 그래서 팀은 데이터와 바다의 계산 모델을 다시 살펴보고 추가 소금이 어디서 왔는지 알아냈다. 연구팀은 웨들 해류가 모드 라이즈 주위를 흐르면서 생성된 난류 소용돌이가 모드 라이즈의 상층부까지 운반해 준다는 것을 확인했다. 여기에서 에크만 운송이 이어진다. 에크만 운송은 바람이 바다 표면 위로 불어 항력을 생성할 때 발생한다. 물은 옆으로 방향이 바뀌어 나사처럼 나선형을 만든다. 물의 최상층이 바람에 의해 발산하게 되고 그 자리를 대체하기 위해 아래에서 물이 올라오게 된다. 염도가 높은 물의 용승이다. 모드 라이즈 폴리냐는 용승으로 솟아오르는 물이 모드 라이즈 주변에 떠다니는 소금을 축적함으로써 빙점을 낮추고 구멍이 얼어붙는 것을 방지한다. 이 해답은 과학자들이 기후 변화에 대한 심각한 우려 사항인 남극 해빙에 어떤 일이 일어날지 예측하는 데 도움이 될 수 있다. 기후학자들은 이미 남극의 겨울 바람이 더 강해지고 더 빈번해질 것이라고 예측하고 있으며, 이로 인해 앞으로 몇 년 동안 더 자주 거대한 폴리냐가 나타날 수 있다고 예상한다. 결과적으로 이는 세계 해양에 영향을 미치게 된다. 캘리포니아 주립대 샌디에이고 캠퍼스의 기후학자 새라 길리는 폴리냐는 형성된 후 수년 동안 물속에 남아 있을 수 있고, 물이 이동하는 방식과 해류가 대륙을 향해 열을 전달하는 방식을 바꿀 수 있다고 지적했다. 결국 여기서 형성된 물은 전 세계 바다로 퍼져 막대한 영향을 미칠 수 있다는 것이다.
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[기후의 역습(1)] 남극 얼음에 거대한 구멍 뚫린 이유, 50년 만에 규명
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지구 온난화로 극지방 얼음 녹아 지구 자전 속도 변화
- 기후 변화로 극지방 얼음이 녹으면서 지구의 자전 속도에 영향을 미친다는 연구 결과가 나왔다. CNN은 지난 27일(현지시간) 앞으로 몇 년 안에 1초를 잃는 음의 윤초 현상이 나타나게 될 것이라며 북극의 얼음이 녹으면 자구의 자전 속도가 바뀌고 그로 인해 시간 자체가 바뀐다는 새로운 연구가 나왔다고 보도했다. 이날 학술 저널 '네이처(Nature)' 저널에 발표된 연구에 따르면 지구 온난화의 영향으로 윤초가 나타날 가능성이 크다. 보고서는 북극 얼음이 녹으면서 윤초가 3년 늦어져 2026년에서 2029년으로 늦춰진다고 밝혔다. 하루를 결정하는 시간과 분은 지구의 자전에 의해 결정된다. 그러나 그 회전은 일정하지 않아서, 지구 표면과 중심의 핵에서 일어나는 현상에 따라 조금씩 변할 수 있다. 거의 눈에 띄지 않는 이같은 시간의 변화는 세계의 시계를 때때로 '윤초(1초를 더하거나 빼는 것)'로 조정해야 함을 의미하며, 이는 컴퓨팅 시스템에 큰 영향을 미칠 수 있다. 실제로 2017년은 365일하고도 1초가 더 있는 해였다. 한국 시간으로 2017년 1월 1일에 1초가 추가됐다. 세계협정시(UTC)는 세슘 원자의 진동수를 기준으로 측정하기 때문에 오차(3000년에 1초)가 거의 없다. 원자시에 따르면 하루는 정확히 8만6400초다. 그런데 온난화 영향으로 인류는 처음으로 1초를 빼야할 위기에 처한 것. 1972년부터 26초의 윤초가 추가됐고 2017년 1월에 추가된 윤초는 27번째였다. 지금까지 음의 윤초가 실시된 적은 없다. 사상 첫 '음의 윤초' 도입할 수도 1972년부터 지금까지 윤초로 인해 27초가 추가됐으며 오랜 기간 둔화 추세를 보인 끝에 지구 중심 핵의 변화로 인해 지구의 자전 속도가 이제 빨라지고 있다. 그로 인해 음의 윤초를 실시해야 할 때가 다가온다는 지적이다. 프랑스 국제 도량형국 시간 부서의 일원인 파트리샤 타벨라(Patrizia Tavella)는 연구에 첨부된 글에서 "음의 윤초는 추가되거나 테스트된 적이 없으므로 이로 인해 발생할 수 있는 문제는 전례가 없다"라고 적었다. 캘리포니아 대학교 샌디에고 지구물리학 교수이자 이번 연구의 저자인 던컨 애그뉴(Duncan Agnew)는 "지구 시간을 측정하는 과정에서 예상되는 변화들을 파악하는 것은 지구 온난화가 미치는 영향을 이해하는 데 달려 있다"고 말했다. 1960년대 후반부터 전 세계는 세계협정시(UTC)를 사용해 시간대를 설정하기 시작했다. UTC는 원자시계의 정확성에 기반하지만 지구의 자전 속도도 반영한다. 그러나 지구 자전의 불규칙성으로 인해 UTC와 지구 자전 기반의 시간 차이에 미묘한 차이가 발생한다. 이 차이를 조정하기 위해 때때로 '윤초'를 추가해야 한다. 장기적으로 보면, 지구의 자전 속도 변화는 주로 해저의 조수 마찰에 의해 영향을 받아 왔으며 이는 자전 속도의 저하로 이어졌다. 애그뉴 교수는 최근 인간이 화석 연료 사용으로 인한 열이 북극 얼음이 녹는 것에 커다란 영향을 미쳤으며, 이 현상은 지구의 자전 속도에 중대한 영향을 미치고 있다고 지적했다. 얼음이 바다로 녹아내리면, 이 녹은 물이 극지방에서 적도 쪽으로 이동하면서 지구의 자전 속도가 더욱 느려진다는 설명이다. 그는 극지방의 얼음이 녹는 현상이 지구의 회전에 전례 없는 방식으로 영향을 미쳤다며 "인간 활동이 지구의 자전을 변화시킬 수 있다는 사실이 정말 놀랍다"고 말했다. 그러나 보고서에 따르면 얼음이 녹아 지구의 자전 속도가 느려질 수 있지만 지구의 핵과 같은 다른 요소도 세계의 시간 측정에 영향을 미치고 있다. 이는 지구 자전 속도 변화의 복합적인 원인을 시사한다. 지구의 핵, 외부 지각과 독립적으로 회전 액체상태인 지구의 핵은 단단한 외부 지각과 독립적으로 회전한다. 애그뉴는 지구 핵의 회전 속도가 느려지면 단단한 지각의 속도가 상대적으로 증가해 전체적인 추진력이 유지된다고 설명했다.그리고 이것이 바로 현재 발생하고 있는 현상이라고 지적했다. 지구 표면 아래 약 2897km(약 1800마일)에서 발생하는 현상에 대해서는 거의 알려진 바가 거의 없으며 핵의 회전 속도 변화 원인 역시 분명하지 않다. 애그뉴는 이에 대해 "근본적으로 예측이 불가능하다"고 말했다. 연구 결과 분명한 것은 극지방의 얼음이 녹는 것이 지구 자전 속도를 늦추는 영향에도 불구하고 전반적인 지구의 자전 속도는 빨라지고 있다는 것이다. 이는 세계가 음의 윤초, 즉 1초를 제거해야 하는 상황에 처음으로 직면해야 할 수도 있음을 의미한다. 1초는 짧은 시간처럼 보일 수 있지만 증권 거래와 같은 민감한 활동을 위해 설계된 컴퓨팅 시스템은 1000분의 1초까지의 정확성을 요구한다. 대부분의 컴퓨터 시스템은 1초를 추가할 수 있는 소프트웨어가 있지만 1초를 제거할 수 있는 기능을 갖춘 시스템은 드물다. 음의 윤초가 도입되면 많은 시스템이 새로운 프로그래밍을 필요로 하게 되며, 이는 오류를 유발할 가능성이 있다. 애그뉴 교수는 "지구의 자전 속도가 윤초를 제거해야 할 정도로 빨라질 것이라고 예상한 사람은 거의 없다"고 말했다. 콜로라도 대학교 볼더 빙하학자인 스캄보스(Scambos) 박사는 이 연구에서 주목할 점으로 "지난 10년 간 지구의 핵 변화가 극지방의 증가하는 얼음 손실 추세보다 더욱 두드러진 경향을 보이고 있다"고 지적했다. 애그뉴는 "얼음이 지금처럼 많이 녹아 지구의 자전 변화가 실제로 측정할 수 있는 수준에 이르렀으면 '이건 정말 심각한 문제다'라고 느껴질 것"이라고 말했다. 극소용돌이 궤도 변화 한편, 지난 27일 라이브사이언스에 따르면 3월 초, 대기권의 기습적인 온난화로 인해 북극의 극소용돌이의 궤도가 변경됐다. 이는 최근 발생한 가장 극단적인 대기권 변화 중 하나로 기록됐다. 라이브사이언스는 차가운 공기를 담은 극소용돌이가 잘못된 방향으로 회전하고 있으며, 이로 인해 발생하는 '오존 급증'이 전 세계 기상 패턴에 영향을 미칠 수 있다고 전했다. 과거, 북극을 둘러싼 차가운 공기의 회전 덩어리인 극소용돌이의 붕괴는 미국의 전역에 걸쳐 극심한 추위와 폭풍을 초래했다. 극소용돌이의 방향이 갑자기 바뀌면서 북극 상공에서는 기록적인 '오존 증가' 현상이 관측됐다. 극소용돌이는 주로 겨울철에 가장 두드러지며 지표면에서 약 50km(약 30마일) 위까지 대기의 두 번째 층인 성층권까지 확장된다. 영국 기상청에 따르면, 이 소용돌이는 시계 반대 방향으로 회전하며 최대 풍속은 약 250km/h로, 5등급 허리케인과 비슷한 속도다. 유사한 극소용돌이 현상은 남반구의 겨울 동안에 남극 주변에서 발생한다. 기상청은 극소용돌이는 때때로 일시적으로 방향을 바꾼다고 설명했다. 이러한 현상은 갑작스러운 성층권 온난화(SSW)에 의해 발생할 수 있으며, 이때 성층권의 온도가 화씨 90도(섭씨 50도)만큼 상승할 수 있으며 짧게는 며칠, 몇 주 또는 길게는 몇 달 동안 지속될 수 있다. 음의 윤초 도입에 앞서 지속 가능한 방식으로 온실 가스 배출을 줄이고, 기후 변화에 대응하기 위한 국제적인 노력이 더욱 시급한 때라고 할 수 있다.
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- IT/바이오
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지구 온난화로 극지방 얼음 녹아 지구 자전 속도 변화
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대서양 순환, '기후 시스템 붕괴' 위기 임박
- 대서양 해류 시스템이 기후 체계와 인류에게 중대한 위협이 될 수 있는 분기점에 접근하고 있다는 연구 결과가 발표됐다. 영국의 일간지 가디언은 지난 8일 지구의 기후를 안정시키는 데 중요한 역할을 하는 해류 시스템의 기능 상실이 예상보다 빠를 수 있으며, 이에 대응하기 어려울 수 있다는 과학계의 경고를 전했다. 이 연구를 진행한 과학자들은 해당 시스템이 붕괴의 길로 접어들면 회복이 어려울 것이라는 점에 대한 연구 결과에 놀랐다고 전하면서도, 정확히 언제 그러한 상황이 발생할지는 아직 명확히 알 수 없다고 말했다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션과 역사적 데이터를 활용하여, 지구의 기후 조절에 결정적인 역할을 하는 ‘대서양 자오선 역전 순환(AMOC·Atlantic Meridional Overturning Circulation)’의 붕괴 가능성을 조기에 감지할 수 있는 지표를 개발하는 데 성공했다. AMOC은 대기 날씨의 변화와 온도 및 염분의 열염분 변화에 의해 구동되는 대서양의 표면 수준 및 심층 해류 시스템이다. 이러한 해류는 주요 해류의 흐름을 포함하는 지구 열염분 순환 의 절반을 집합적으로 구성한다. 대표적인 해수 순환으로는 북반구에서는 대서양 자오선 역전 순환(AMOC)이 있고, 남반구에 '남극 역전 순환'(Antarctic overturning circulation)이 있다. 둘 다 기후 시스템에서 매우 중요한 역할을 한다. 연구팀은 이미 AMOC이 1만 년 이상 일어나지 않았던 급격한 변화를 향해 가고 있으며, 이는 전 세계 많은 지역에 심각한 영향을 미칠 수 있다는 사실을 발견했다. 걸프 해류와 다른 강력한 해류의 일부를 포함하는 AMOC은 열대 지방에서 북극권으로 열, 탄소 및 영양분을 운반하는 해양 컨베이어 벨트로서, 열과 탄소가 식어 심해로 가라앉는 역할을 한다. 이러한 소용돌이는 지구에 에너지를 분배하고 인간이 초래한 지구 온난화의 영향을 조절하는 데 도움이 된다. 하지만, 그린란드의 빙하와 북극 빙하가 예상보다 빠르게 녹아 바다로 담수를 쏟아 붓고 남쪽에서 더 염도가 높고 따뜻한 물이 가라앉는 것을 방해하면서 시스템이 침식되고 있다. 과학자들은 적은 양이라도 담수의 유입량이 늘어나면 AMOC의 전면적인 붕괴와 이에 따른 전 세계 기후 패턴과 생태계 교란, 식량안보 문제를 불러올 수 있는 '티핑포인트(극적인 전환점)로 작용할 수 있다고 우려한다. 영국 엑서터대학의 팀 렌튼 교수는 북대서양으로의 추가 담수 유입이 심각한 우려를 불러일으키는 상황이라고 지적하며, AMOC의 부분적 붕괴만으로도 영국, 서유럽, 북미의 일부 지역, 그리고 사헬 지역(아프리카 사하라 사막 남쪽의 가장자리)에 광범위한 영향을 미칠 수 있다고 분석했다. AMOC는 지구 기후 시스템 내에서 일단 변화가 시작되면 되돌릴 수 없는 중대한 하위 시스템으로 간주되어 왔으며, 일부 연구에서는 그 붕괴가 2025년에 발생할 수 있다고 예상하기도 했다. 해양에서는 극지방의 차가운 물이 깊은 곳으로 가라앉아 저위도 지역으로 이동하는 심해 해류 순환이 발생한다. 이러한 해수 순환은 열, 탄소, 산소, 영양분의 공급뿐만 아니라 해수면 높이와 전 세계 기후 시스템의 변화에도 중요한 역할을 한다. 붕괴가 임박했다는 추측을 불러일으킨 이전 연구에 따르면 AMOC은 1950년 이후 15% 하락했으며 1000년 만에 가장 약한 상태다. 지금까지는 그 정도가 얼마나 심각할지에 대한 합의가 이루어지지 않았다. 작년에 해수면 온도 변화를 기반으로 한 한 연구에서는 티핑 포인트가 2025년에서 2095년 사이에 발생할 수 있다고 제안했다. 그러나 영국 기상청은 21세기에 AMOC의 크고 급격한 변화는 "매우 드물다"고 말했다. 학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'에 게재된 새로운 논문은 케이프타운과 부에노스아이레스 사이의 대서양 남단의 염분 수준에서 경고 신호를 찾음으로써 새로운 국면을 맞이했다. 지구 기후의 컴퓨터 모델에서 2000년 동안의 변화를 시뮬레이션한 결과, 그동안의 느린 감소가 100년 이내에 갑자기 붕괴되어 재앙적인 결과를 초래할 수 있음을 발견했다. 이 논문은 이러한 급격한 변화가 가능한지에 대한 "명확한 해답"을 제공했다고 지적했다. 논문의 주요 저자인 위트레흐트 대학 르네 반 웨스틴(Utrecht University의 René van Westen)은 "이것은 지금까지 기후 체계와 인류에게 나쁜 소식이다. AMOC 티핑은 이론적인 개념에 불과했고 티핑은 모든 추가적인 피드백과 함께 전체 기후 체계가 고려되는 즉시 사라질 것이라고 생각할 수 있다"고 우려했다. 또한 아목 붕괴의 결과 중 일부를 지도화했다. 일부 지역에서는 대서양의 해수면이 1미터 상승해 많은 해안 도시가 침수될 것이며, 아마존의 우기와 건기가 뒤바뀌면서 이미 약해진 열대우림이 한계점을 넘어설 가능성이 있다. 연구팀은 전 세계의 기온은 훨씬 더 불규칙하게 변동할 것으로 예측했다. 즉, 남반구는 더 따뜻해질 것이며, 유럽은 기온이 급격히 낮아지고 강우량이 줄어들 것이다. 현재의 온난화 추세와 비교하면 지금보다 10배나 빠른 속도로 변화가 일어나 적응이 거의 불가능할 것이라고 전망했다. 웨스틴은 "우리가 놀란 것은 티핑이 일어나는 속도였다"라며 "이는 엄청난 일이 될 것이다"라고 말했다. 그는 이러한 현상이 내년에 일어날지 아니면 다음 세기에 일어날지 아직 데이터가 충분하지 않지만, 일단 발생하면 인류의 시간 척도에서 돌이킬 수 없는 변화가 일어날 것이라고 우려했다. 웨스틴은 "우리는 그 방향으로 나아가고 있다. 그건 좀 무서운 일이다"라며 "우리는 기후 변화를 훨씬 더 심각하게 받아들여야 한다"고 강조했다. 실제로 2023년에 아마존 열대우림에 발생한 심각한 가뭄은 기후 변화의 파괴적인 효과를 분명히 드러냈다. 이러한 가뭄의 발생 빈도는 지구 온난화로 인해 30배 증가한 것으로 분석됐다. 이번 가뭄으로 인해, 지구상에서 가장 중요한 탄소 저장소 중 하나인 아마존 열대우림의 수많은 나무들이 죽어나가면서 대규모의 이산화탄소를 방출했고, 이는 지구 온도의 추가 상승을 초래할 위험이 있다.
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- 산업
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대서양 순환, '기후 시스템 붕괴' 위기 임박
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美 칼텍, "지구 내부 '덩어리'는 다른 행성의 '흔적'"
- 달을 생성한 것으로 추정되는 원시 행성의 흔적이 지구 내부에서 발견되어 큰 관심을 끌고 있다. 최근의 이 발견은 지구와 달의 기원에 대한 이론에 중요한 증거가 될 수 있다. 영국의 과학 전문 매체 사이키(phys.org)는 미국 캘리포니아 공대(칼텍, Caltech) 과학자들이 '네이처' 학술지에 발표한 논문을 인용해 지구 내부에서 원시 지구와 충돌한 행성의 흔적을 발견했다고 보도했다. 이 연구는 두 가지 중요한 과학적 미스터리를 해결할 수 있는 가능성을 제시한다. 하나는 수천 년 동안 인류를 매혹시켜온 달의 기원에 관한 것이고, 다른 하나는 그 충돌이 지구 내부에 어떤 영향을 미쳤는지에 관한 것이다. 주된 이론은 약 45억 년 전, 화성 크기의 행성이 아직 형성 중이던 지구와 충돌하여 달이 생성되었다는 것이다. 수천 년 동안, 달의 기원은 과학자부터 호기심 많은 어린이까지 모두를 매혹시켜왔다. 가장 널리 받아들여지는 이론은 약 45억 년 전, 지구가 형성되는 과정에서 화성 크기의 행성인 '테이아(Theia)'와의 거대한 충돌로 인해 달이 생성되었다는 것이다. 당시 지구는 현재 크기의 약 85%에 불과했으며, 이 충돌로 인한 엄청난 양의 잔해가 우주로 튕겨져 나가 달을 형성했다. 이 이론에도 불구하고, 수십 년 동안 테이아의 존재를 뒷받침할 명확한 증거는 발견되지 않았다. 그러나 최근 네이처에 발표된 미국 연구팀의 새로운 연구 결과는 우리가 테이아에 대해 이해하는 방식에 대해 새로운 관점을 제시할 수 있음을 나타낸다. 이 연구는 과학자들이 테이아의 흔적을 찾는 방식에 대해 재고할 필요가 있음을 시사하고 있다. '원시지구' 충돌 행성 흔적 2곳 추정 1980년대에 지진파를 통해 발견된 지구 표면 아래 약 2900킬로미터(1800마일) 깊이에 위치한 두 개의 거대한 '덩어리'는 지질학자들에게 오랫동안 의문을 제기해왔다. 이 대륙 크기의 물질 덩어리는 지구의 암석 맨틀의 바닥, 즉 녹아 있는 핵 근처에 걸쳐 있다. 하나는 아프리카 아래, 다른 하나는 태평양 아래에 위치해 있다. 과학자들은 이 덩어리들이 주변 암석에 비해 훨씬 더 뜨겁고 밀도가 높다는 것을 발견했다. 그러나 이 덩어리들의 정확한 성질과 기원에 대해서는 여전히 많은 것이 불확실하다. 최근 연구에 따르면, 이 덩어리들은 지구 형성 당시 테이아라는 원시 행성과의 충돌로 지구 내부로 들어온 ‘매장된 유물'일 수 있다. 이 충돌로 인해 테이아의 잔해가 지구의 깊은 내부에 숨겨져 있었을 가능성이 제시되고 있다. 연구팀은 달을 형성시킨 테이아와의 충돌이 지구가 생명을 유지할 수 있는 독특한 행성으로 발전하는 데 중요한 역할을 했을 것이라고 주장했다. 캘리포니아 공과대학의 지구역학 연구원이자 이번 연구의 주 저자인 첸 위안(Qian Yuan)은 AFP와의 인터뷰에서 테이아 충돌의 증거가 아직 발견되지 않은 것이 "매우, 매우 이상하다"고 언급했다. 위안에 따르면, 테이아는 원시 지구와 충돌할 때 초당 10km(약 6마일) 이상의 속도로 이동하고 있었으며, 이 속도로 인해 일부 잔해가 지구의 하부 맨틀까지 침투할 수 있었다고 한다. 맨틀은 지각과 외핵 사이의 암석층을 의미한다. 철분 함량 높아 지구 멘틀에 축적 연구팀이 개발한 시뮬레이션 동영상은 테이아의 맨틀 덩어리가 지구 내부에서 어떻게 움직이는지 보여주고 있다. 이 덩어리들은 수십 킬로미터에 이르는 너비를 가지고 있으며, 지구 내부를 소용돌이치며 이동하고 있다. 과학자들은 녹은 테이아 물질이 냉각되고 굳어지면서, 높은 철분 함량으로 인해 지구 맨틀과 핵의 경계에까지 가라앉았다고 설명했다. 이 물질들은 오랜 시간에 걸쳐 대규모저속지역(LLVP)으로 알려진 별도의 두 개의 덩어리로 축적되었으며, 현재는 각각 달보다 더 큰 크기에 이르렀다. 첸 위안은 이러한 발견에 대해 "지구의 깊은 내부에 대한 이론을 검증하는 것은 매우 어렵고, 모델링이 100% 확실할 수 없다"고 말했다. 이는 지질학적 연구에서 자주 마주치는 복잡성과 불확실성을 반영하는 발언이다. 이 이론이 만약 사실이라면 그 의미는 중대할 수 있다. 지구는 현재까지 알려진 바에 의하면 우주에서 생명이 존재할 수 있는 유일한 행성이다. 첸 위안은 테이아와의 충돌이 지구의 구성을 단 24시간 만에 극적으로 변화시켰을 수 있다고 말했다. 위안은 초기 조건이 지구를 독특하게 만드는 중요한 요소, 즉 다른 암석 행성과 구별되는 이유라고 주장했다. 이전 연구들은 테이아가 생명의 핵심 성분인 물을 지구에 가져왔을 가능성을 제시했다. 또한, 이 덩어리가 맨틀 기둥(마그마 기둥)을 형성하여 지구 표면에 영향을 미치고 초대륙의 진화와도 연관이 있을 수 있다는 관찰이 있었다. 위안은 "테이아는 지구에 중요한 무언가를 남겼고, 이는 지난 45억 년 동안 지구의 진화에 중요한 역할을 했다"고 강조했다. 스코틀랜드 스털링 대학교의 지구 과학 및 행성 탐사 전문가 크리스티안 슈뢰더는 이 이론이 다양한 증거와 일치한다며, 이것이 매우 중요하고 흥미로운 발견임을 강조했다. 슈뢰더는 달의 형성에 대한 미스터리가 여전히 완전히 해결되지 않았다고 언급하면서도, 이번 연구가 테이아 충돌 이론에 무게를 두고 있으며 핵과 맨틀의 경계에서 관찰되는 이상 현상에 대한 신뢰할 수 있는 설명을 제공한다고 말했다. 이처럼 지구 내부에 보존될 가능성이 있는 테이아의 잔해가 오늘날 지구상에서 진행되는 중요한 과정들에 영향을 미쳤을 수 있다는 의견에 힘이 실리고 있다.
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美 칼텍, "지구 내부 '덩어리'는 다른 행성의 '흔적'"
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극한의 고온에서만 녹는 초이온성 얼음
- 매우 뜨거운 온도에서만 녹는 '초이온성 얼음'이 발견됐다. 과학 전문 매체 '사이언스 얼럿'은 지난 15일(현지 시간) 초이온성 얼음이라고 알려진, 극한의 고온에서만 녹는 특별한 얼음이 발견됐다고 보도했다. 초이온성 얼음은 5년 전 과학자들에 의해 처음으로 실험실에서 재현되어 세상에 소개됐다. 이듬해인 4년 전에는 그 존재와 결정 구조가 확인됐다. 이후 미국 여러 대학과 캘리포니아의 스탠포드 선형 가속기 센터(SLAC) 연구소의 과학자들은 지난해 이 초이온성 얼음의 새로운 단계를 발견했다. 과학자들은 이번 발견은 천왕성과 해왕성이 보유하고 있는 특이한 다극자 자기장의 형성 원인에 대한 이해를 높여줄 것으로 기대하고 있다. 지구의 주변 환경에서 물은 일반적으로 하나의 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 연결된 단순한 분자 구조를 가지고 있다고 여겨진다. 그러나 초이온성 얼음은 천왕성과 해왕성뿐만 아니라 유사한 다른 외계 행성의 내부에서도 발견될 수 있으며, 우주에서 가장 일반적으로 발견되는 물의 형태 중 하나로 추정된다. 이들 행성은 지구 대기보다 200만 배 더 높은 엄청난 압력과 내부 온도가 태양 표면만큼이나 뜨겁다. 이런 극한의 환경 속에서 물은 우리가 흔히 알고 있는 방식과는 다른 특이한 형태로 존재하게 된다. 1988년 물리학자들이 예측한 초이온성 얼음의 구조는 산소 원자들이 단단한 입방 격자 구조에 갇혀 있으며 이온화된 수소 원자들은 전자가 금속을 통과하듯 격자 속을 자유롭게 움직이는 구조로 이루어져 있었다. 이 구조는 2019년 과학자들이 확인했다. 초온성 얼음은 이러한 구조 덕분에 전기 전도율이 비교적 높은 전도성을 가지며, 녹는점도 상당히 높아져 극한의 고온에서도 얼음이 견고하게 유지된다. 스탠포드 대학의 물리학자 아리아나 글리슨과 그녀의 연구팀은 초이온성 얼음을 연구하기 위해 두 층의 다이아몬드 사이에 끼인 얇은 물 조각에 매우 강력한 레이저를 발사했다. 이렇게 생성된 연속적인 충격파는 압력을 200GPa(2백만 기압)까지, 온도를 약 5000K(8500°F, 4704℃)까지 상승시켰다. 이는 2019년 실험의 조건에 비해 온도는 높지만 압력은 낮게 유지됐다. 글리슨의 팀은 2022년 1월에 발간한 논문에서 "최근에 발견된 물이 풍부한 해왕성과 유사한 외계 행성들 때문에, 행성 내부의 압력-온도 조건에서 물의 상태에 대해 더욱 심도 있게 이해할 필요가 있다"고 밝혔다. 당시 연구에서 X-선 회절은 압력과 온도 조건이 몇 분의 1초 동안만 유지되었음에도 불구하고 뜨겁고 밀도가 높은 얼음의 결정 구조를 밝혀냈다. 그 결과, 회절 패턴을 통해 확인된 얼음의 결정 구조는 2019년에 관찰된 초이온성 얼음과는 다른 새로운 형태였다. 이 새롭게 발견된 초이온성 얼음인 '아이스 XIX'는 중심이 입방체 구조를 가지고 있으며, 2019년에 발견된 '아이스 XVIII'보다 전도도가 향상됐다. 전도도의 중요성은 하전 입자의 움직임이 자기장을 생성하기 때문이다. 이 원리는 다이너모 이론의 기초로, 지구의 맨틀이나 다른 천체의 내부에서 전도성 유체가 어떻게 자기장을 생성하는지를 설명한다. '다이너모 이론(dynamo theory)'은 물리학 용어로 1920년 조지프 라모어가 태양 자기장을 설명하기 위해 처음 제창한 가설을 기초로 지구 자기장을 설명한 이론이다. 만약 해왕성과 같은 얼음 거인 행성의 내부가 소용돌이치는 액체보다는 부드러운 고체로 더 많이 구성되어 있다면, 생성되는 자기장의 특성이 변할 것이다. 글리슨과 그녀의 팀은, 만약 행성의 중심부에 전도도가 서로 다른 두 종류의 초이온 층이 존재한다면, 외부 액체 층에서 생성된 자기장이 각 층과 복잡하게 상호작용하면서 더 복잡한 현상을 초래할 것이라고 제안했다. 글리슨의 연구팀은 아이스 XIX와 같은 향상된 전도도를 가진 초이온성 얼음 층이, 해왕성과 천왕성에서 관측된 불안정한 다극자 자기장을 생성하는데 기여했을 것이라고 분석했다.
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극한의 고온에서만 녹는 초이온성 얼음
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세계 최고 슈퍼컴 '오로라', 원자로 시뮬레이션 투입
- 미국 아르곤 국립연구소에서 설치하고 있는 '오로라'는 현존하는 슈퍼 컴퓨터보다 50배 강력한 시스템이다. 현존하는 슈퍼컴퓨터 보다 성능이 50배 이상 더 강력한 슈퍼컴퓨터가 등장한다. 기술 전문매체 인터레스팅엔지니어링(InterestingEngineering)은 미국 아르곤 국립연구소(ANL) 과학자들이 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터인 '오로라(Aurora)'를 설치 중이라고 보도했다. 오로라는 미국이 이미 'TOP500'기준으로 세계에서 가장 빠른 수퍼컴퓨터를 보유하고 있는 상황에서, 이전 원자로보다 더 효율적이고 안전한 새로운 원자로의 시뮬레이션을 돕기 위해 설치되고 있다. TOP500은 세계에서 알려진 가장 강력한 500대(비분산형)의 컴퓨터 시스템의 500대 순위를 나열하고 자세히 설명하는 프로젝트다. 이들 슈퍼컴퓨터는 다양한 계산 작업에 사용된다. 앞서 이 매체는 2023년 9월 슈퍼컴퓨터로 미군의 핵 비축량을 확인할 계획인 로스 앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory, LANL)에 대해 보도했다. LANL은 지난 1943년 설립된 세계적으로 가장 큰 규모의 기술과학 연구소로, 인류 최초로 핵폭탄을 제조한 맨해튼 프로젝트를 진행했다. 다만, 오로라는 LANL 슈퍼컴퓨터와는 매우 다른 역할을 수행하기 위해서 계획됐다. 오로라는 현재 미국 전기 공급량의 5분의 1을 공급하는 원자로 내 핵분열 과정을 개선하는 것이 목표로 한다. 더 중요한 것은 원자력 공급이 탄소 배출을 절반 이상 감소시킬 수 있다는 점이다. ANL은 시뮬레이션을 위해 초당 44천조 개의 계산을 수행할 수 있는 44 페타플롭(초당 1000조번의 수학 연산처리를 뜻하는 말) 머신인 폴라리스(Polaris) 슈퍼컴퓨터를 사용하고 있다. 반면, 오로라는 2 엑사플롭(초당 100경번을 연산하는 말) 이상의 계산 용량을 제공하도록 설계돼 현존하는 시스템보다 50배 더 강력한 초당 200경 계산을 수행할 수 있다. 이 시스템은 제조상의 문제로 인해 완성이 지연되었으나, 오로라가 작동 준비를 마치면 미국 오크릿지 국립연구소의 프론티어를 대체해 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 될 것으로 예상된다. ANL의 원자력 엔지니어인 딜론 세이버 박사는 "오로라의 차별화된 특징은 우리가 수행할 수 있는 시뮬레이션의 규모와 다양성"이라고 말했다. 세이버와 그의 팀은 오로라의 뛰어난 계산 능력을 이용하여, 시뮬레이션에서 수십억 개의 변수를 처리할 계획이다. 이 팀은 원자로 코어 내의 복잡한 과정을 상세하게 캡처해, 비용이 많이 드는 실험 없이도 새로운 원자로 설계를 개발하는 데 도움을 줄 것으로 보인다. 이러한 능력은 원자로 건설 업체들이 설계의 타당성을 확인하고 승인을 받는 데 있어 매우 유용하게 사용될 것으로 예상된다. 이 시뮬레이션에서 연구자들은 연료 핀 주변의 열 소용돌이와 난류, 그리고 열 전달 특성을 모델링할 예정이다. 난류의 증가는 열 전달을 촉진할 수 있지만, 이 과정은 추가적인 에너지를 필요로 한다. 소듐 냉각 원자로에서는 난류가 열의 미세한 소용돌이, 즉 열 소용돌이를 형성할 가능성이 있으며, 이는 연료 핀이 진동하는 원인이 될 수 있다. 연구팀은 원자로와 연료의 성능에 영향을 미치는 구조 역학뿐만 아니라 열 교환 특성도 시뮬레이션에서 고려하여 모델링할 계획이다. 연구팀은 다양한 연구자들이 모델링과 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 다중물리 객체 지향 시뮬레이션 환경(MOOSE)을 사용할 계획이다. MOOSE를 활용하면 시뮬레이션을 빠르게 완료할 수 있으며, 오로라의 계산 능력과 결합하여 NekRS라는 전산 유체 역학 솔버를 사용하면 더욱 세밀한 시뮬레이션도 가능하다. 세이버는 "이런 미세한 역학적 요소들은 원자로의 열 전달에 대한 거시적인 행동을 파악하는 데 결합되어 매우 중요한 역할을 한다"고 설명했다. 한편, 2023년 5월에 발표된 T500 순위에 따르면, 한국은 삼성종합기술원의 SSC-21, SSC-21 Scalable Module, 기상청의 구루와 마루, SKT의 타이탄, 광주과학기술원의 드림-AI, 그리고 KT의 KT DGX SuperPOD 등 총 8대의 슈퍼컴퓨터를 보유하고 있다. 성능 기준으로는 8위, 보유 대수 기준으로는 9위에 올랐다.
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세계 최고 슈퍼컴 '오로라', 원자로 시뮬레이션 투입
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