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🗂️ 논문 정보
- DOI: 10.1038/srep30586
- ISO 690: PASEK, Matthew A.; HURST, Marc. A fossilized energy distribution of lightning. Scientific reports, 2016, 6.1: 30586.
- 저자: Matthew Pasek, Marc Hurst
- 카테고리: 지질학, 지구과학
📄 논문 대표 이미지
✨ 논문 핵심 요약
서론
본 연구는 플로리다주 폴크 카운티의 모래 광산에서 수집한 풀구라이트를 분석하여 번개 충격의 에너지 분포 빈도를 밝히는 데 중점을 두었습니다. 번개는 고에너지 현상으로, 적절한 대상에 충돌 시 유리질의 중공 원통인 풀구라이트를 형성합니다. 이 연구는 번개의 에너지 분포를 밝히고, 풀구라이트를 통해 번개 충격의 손상 가능성을 평가하는 새로운 방법론을 제시합니다.
방법론
연구는 플로리다 중부 폴크 카운티의 두 모래 광산에서 수집된 266개의 풀구라이트를 대상으로 진행되었습니다. 이 광산들은 주로 석영 모래로 구성되어 있으며, 풀구라이트의 내부 공동 직경과 길이를 측정하여 분석하였습니다. X-선 회절 및 라만 분석을 통해 풀구라이트의 구성 물질을 확인하고, HSC Chemistry를 사용하여 석영이 기체 상태로 분해되는 과정에서 필요한 에너지를 계산하였습니다. 또한, 아르키메데스의 원리를 사용하여 풀구라이트의 밀도를 측정하고, 에너지 대비 길이 및 누적 길이, 누적 개수 대비 총 에너지를 기준으로 한 시뮬레이션을 수행하여 풀구라이트의 분포를 모델링하였습니다.
결과
풀구라이트의 빈도 분포 분석 결과, 번개 충격의 단위 길이당 에너지는 기하 평균 약 1.0 MJ/m로 나타났으며, 이 에너지 분포는 로그정규분포를 따릅니다. 풀구라이트의 밀도는 1.8 ± 0.1 g/cm³로 측정되었으며, 이는 주변 모래의 밀도와 유사합니다. 에너지 대비 빈도 분석에서는 네 가지 별개의 현상이 관찰되었으며, 특히 고에너지 영역에서의 불연속성은 긍정적 번개의 형성과 관련이 있을 것으로 추측됩니다. 이러한 분석은 번개 에너지 분포를 추정하는 다양한 접근 방식에 대한 신뢰성을 제공합니다.
결론
본 연구는 풀구라이트를 통해 번개 에너지 분포를 결정하려는 첫 시도로, 지상에 대한 번개 에너지 전달을 손상 정도에 따라 측정한 최초의 데이터셋을 제공합니다. 연구 결과는 번개의 다양한 매개변수가 로그정규 분포를 따른다는 기존 연구와 일치하며, 번개 에너지 연구와 관련하여 향후 연구 방향을 제시합니다. 이 데이터는 지상-지상 번개 타격으로 인한 번개 피해를 예측하는 데 유용할 수 있으며, 점토나 암석과 같은 다른 재료에서 발생하는 풀구라이트를 유사한 방식으로 조사할 수 있다면 번개의 에너지에 대한 더 나은 해상도가 가능할 것입니다.
📖 논문 상세 요약
초록
본 연구에서는 플로리다주 폴크 카운티의 모래 광산에서 수집한 풀구라이트(번개로 인해 생성된 유리질 원통)를 분석하여, 번개 충격의 에너지 분포 빈도를 밝히는 데 풀구라이트가 유용할 수 있음을 보여줍니다. 연구 결과, 석영 모래 내 번개 충격의 단위 길이당 에너지는 기하 평균 약 1.0 MJ/m이며, 에너지 분포는 로그정규분포를 따릅니다. 이 방법론은 번개 에너지와 충격의 손상 가능성을 밝히는 데 유용한 경로를 제시합니다.
서론
구름에서 땅으로 내리치는 번개는 대기와 지표 사이에서 양성 또는 음성의 전하를 이동시키는 고에너지 현상입니다. 번개는 매우 높은 전압과 에너지를 동반하며, 이로 인해 발생하는 열로 인간, 숲, 재산에 해를 끼치는 동시에 자연적 질소 고정과 인의 용해도를 높이는 화합물의 생성과 같은 긍정적인 효과도 가져옵니다. 번개가 모래, 흙, 바위, 점토와 같은 적절한 대상에 충돌할 때, 대상을 가열하여 기화점을 초과한 후 빠르게 냉각되어 유리질의 중공 원통인 풀구라이트를 형성합니다. 풀구라이트의 형태는 대상 물질의 구성에 크게 의존하며, 전 세계적으로 초당 약 45회의 번개가 발생하고 이 중 약 4분의 1이 구름에서 땅으로 내리치는 번개로, 풀구라이트 형성 가능성이 상당히 높습니다. 본 연구에서는 플로리다주 폴크 카운티의 두 석영 모래 광산에서 수집한 266개의 풀구라이트를 분석하여 번개 충격의 에너지와 풀구라이트의 형태 사이의 관계를 규명하고, 이를 통해 번개의 에너지가 로그정규 분포를 따를 수 있음을 제시합니다.
Results
본 연구에서는 풀구라이트의 직경에 따라 배열하고, 각각의 풀구라이트에 대해 그 직경 이상인 풀구라이트의 수에 해당하는 번호를 부여함으로써, 풀구라이트의 빈도 분포를 계산하였습니다. 이러한 분석을 통해, 에너지 당 길이(MJ/m), 누적 길이, 총 수를 종속 변수로 사용하는 세 가지 접근 방식에서 모두 로그 에너지 대 빈도(발생 횟수 또는 누적 길이) 사이에 선형 관계가 나타났습니다. 또한, 특정 에너지 분포에서 발생할 수 있는 풀구라이트 분포에 대한 시뮬레이션을 준비하여, 에너지 당 길이의 로그정규 분포가 자연 풀구라이트 분포와 가장 일관성이 있음을 발견하였습니다. 이러한 분석과 시뮬레이션은 번개 에너지 분포를 추정하는 다양한 접근 방식에 대한 신뢰성을 제공합니다.
풀구라이트(번개가 모래나 암석을 녹여 만든 유리) 관련 연구에서, 풀구라이트 단위 길이당 평균 에너지는 약 1.4 MJ/m로 나타났으며, 이 에너지 분포는 로그정규분포(lognormal distribution)를 따릅니다. 풀구라이트의 총 에너지는 단위 길이당 에너지와 풀구라이트의 길이를 곱하여 추정할 수 있으나, 풀구라이트의 취약한 성질로 인해 이 방법은 정확하지 않을 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 대부분의 풀구라이트 조각들이 유사한 길이를 가지고 있어, 총 에너지 분포 역시 로그정규분포를 따르는 것으로 나타났습니다. 이 연구에서는 풀구라이트의 밀도가 1.8 ± 0.1 g/cm³로 측정되었으며, 이는 주변 모래의 밀도 1.7 g/cm³와 개별 석영 입자의 밀도 2.6 g/cm³와 비교되었습니다.
Discussion
번개의 단위 길이당 에너지와 그 에너지를 초과하는 번개 발생 빈도가 로그정규 분포를 따른다는 연구 결과는, 번개의 다양한 매개변수가 로그정규 분포를 따른다는 기존 연구와 일치합니다. 이러한 발견은 특히 절연 능력이 약한 모래와 같은 재료에서 번개에 의해 전달되는 에너지의 양이 로그정규 분포를 따를 것으로 예상되며, 이는 번개 에너지 연구와 관련하여 향후 연구 방향을 제시합니다.
Accuracy of "fossilization" of energy per unit length in fulgurites.
본 연구에서는 번개에 의해 생성된 유리화된 모래, 즉 풀구라이트의 에너지 단위 길이당 "화석화"의 정확도를 조사하였습니다. 풀구라이트의 밀도는 가열 과정에서 모래의 밀도와 크게 달라지지 않았으며, 이는 번개 충격으로 인한 용융 실리카의 이동이 거의 없었음을 시사합니다. 만약 가열된 공기 열로 인해 용융 유리가 가스 확장으로 인해 반경 방향으로 밀려났다면, 유리의 밀도는 공극에서 공기가 밀려나면서 실리카 유리의 밀도에 가까워졌을 것입니다. 그러나 모래와 유리 사이의 밀도 유사성은 유리가 모래만큼 다공성임을 나타냅니다. 풀구라이트 외부에 포착된 용융되지 않은 석영 입자들의 존재로 인해 약 0.1 g/cm3의 밀도 증가가 있을 수 있으며, 이는 풀구라이트의 에너지가 번개 이후에 유의미한 변형이나 유체 이동 없이 원래의 에너지를 포착한다는 결론으로 이어집니다.
Distribution residuals.
본 연구에서는 풀구라이트 형성에 관여하는 번개의 에너지 분포와 빈도에 대해 분석하였습니다. 연구 결과, 에너지 대비 빈도 분포에서는 네 가지 별개의 현상이 관찰될 수 있으며, 이는 로그정규 분포 그래프상에서 세 지점에서의 불연속성을 통해 확인되었습니다. 특히, 고에너지 영역(6 MJ/m 이상)에서 발생하는 불연속성은 양전하 번개의 형성과 관련이 있을 것으로 추측되며, 이러한 양전하 번개는 연간 번개 타격의 약 4%를 차지하며 평균 에너지가 더 높습니다. 반면, 1 MJ/m에서 6 MJ/m 사이의 에너지 분포는 두 가지 다른 번개 유형의 혼합으로 인한 것일 수 있으며, 이는 에너지가 감소함에 따라 고에너지 번개의 영향이 줄어들고 저에너지 번개의 영향이 증가하는 것으로 해석됩니다. 또한, 풀구라이트의 크기와 두께에 따른 분포의 차이는 더 크고 두꺼운 풀구라이트 조각이 쉽게 파괴되지 않아 기대되는 경사 변화를 초래한다고 설명합니다. 이러한 분석을 통해, 풀구라이트 형성에 필요한 평균 에너지는 대략 1.4 MJ/m로, 번개가 대기 중을 통과할 때의 에너지 대비 지면에서 풀구라이트를 형성하는 데 훨씬 더 많은 에너지가 소모됨을 알 수 있습니다.
본 연구에서는 대상 물질의 밀도가 대기의 밀도보다 훨씬 높다는 점(대상 물질 1700 kg/m^3 대비 대기 약 1 kg/m^3)을 고려하여, 번개의 에너지 소산이 그것이 통과하는 물질의 밀도에 따라 달라진다는 것을 밝혔습니다. 이는 물질의 밀도가 번개 에너지의 소산 방식에 중요한 역할을 한다는 것을 의미하며, 밀도 차이가 약 1000배에 달함을 감안할 때, 이러한 밀도의 영향은 상당히 크다고 할 수 있습니다.
Conclusions
이 연구는 풀구라이트를 통해 번개 에너지 분포를 결정하려는 첫 시도와 지상에 대한 번개 에너지 전달을 손상 정도에 따라 측정한 최초의 데이터셋 중 하나를 보고합니다. 풀구라이트 형성에 필요한 에너지의 빈도 분포는 많은 번개 현상과 일관된 로그정규 관계를 따릅니다. 로그정규 관계는 정규 확률 분포의 곱셈의 자연스러운 결과로, 다른 번개 현상처럼 지상으로 전달된 에너지가 일반적인 정규 분포보다 높은 에너지 사건에 더 빈번하게 치우쳐 있음을 시사합니다. 이 연구는 번개 매개 변수를 결정하는 새로운 접근 방식을 제시하며, 이는 절연 재료(세밀한 석영 모래)에 대한 지상-지상 번개 타격의 번개 매개 변수를 직접 결정하는 수단을 제공합니다. 이 데이터는 지상-지상 번개 타격으로 인한 번개 피해를 예측하는 데 유용할 수 있으며, 점토나 암석과 같은 다른 재료에서 발생하는 풀구라이트를 유사한 방식으로 조사할 수 있다면 번개의 에너지에 대한 더 나은 해상도가 가능할 수 있습니다.
Methods
본 연구에서는 플로리다 중부 폴크 카운티에 위치한 C. C. Calhoun, Inc.가 운영하는 두 개의 모래 광산, Pit #1과 Pit #4에서 발견된 풀구라이트를 분석하였습니다. 이 광산들은 최소 98%의 SiO2를 함유한 비슷한 입자 크기 분포를 가진 모래로 구성되어 있으며, 이 모래는 조지아에서 플로리다로 장기 해류에 의해 운반되어 후기 플라이스토세에서 초기 플라이스토세에 걸쳐 침전되었습니다. 총 266개의 풀구라이트가 이 광산들에서 수집되었으며, 이들의 총 길이는 14미터가 넘습니다. 풀구라이트의 내부 공동 직경은 상단과 하단에서 각각 두 번씩 측정되었고, 전체 길이는 센티미터 단위로 기록되었습니다. 완전한 풀구라이트를 수집하는 것은 이들이 쉽게 부서지기 때문에 어려웠으며, 광산에서는 여전히 모래를 건축 자재로 생산하고 있어 중장비가 풀구라이트 조각을 광산 표면에 분산시키고 있습니다.
본 연구에서는 모래 광산에서 발견된 풀구라이트(번개에 의해 생성된 유리)의 구성과 생성에 필요한 에너지를 분석하였습니다. 사용된 모래는 거의 100% 석영(SiO2)으로 구성되어 있으며, X-선 회절 및 라만 분석을 통해 이를 확인하였습니다. 풀구라이트의 주요 구성 물질도 석영과 르샤틀리에르 유리로, 이는 ICP-MS 분석을 통해 약 99%의 SiO2를 함유하고 있음을 보여줍니다. 에너지 계산은 HSC Chemistry, 열역학 평형 모델링 코드를 사용하여, 석영(SiO2)이 기체 상태의 SiO2, SiO, O2로 분해되는 과정에서 필요한 에너지를 계산하였습니다. 이 모델은 풀구라이트의 내부 직경과 생성에 필요한 단위 길이당 에너지의 관계를 정립하였으며, 추가적인 에너지 전달(예: 유리 벽 형성을 위한 모래의 용융 및 인접 모래의 가열)은 고려하지 않았습니다.
본 연구에서는 풀구라이트(번개에 의해 모래가 융합되어 생성된 유리)의 형태와 밀도를 측정하고, 이를 통해 에너지 전달량을 추정하였습니다. 풀구라이트의 밀도는 아르키메데스의 원리를 사용하여 측정되었으며, 선택된 풀구라이트는 완전히 열린 튜브 형태였기 때문에 유리의 밀도만을 측정할 수 있었습니다. 또한, 풀구라이트 조각들의 분포를 모델링하기 위해 에너지 대비 길이 및 누적 길이, 누적 개수 대비 총 에너지를 기준으로 한 시뮬레이션을 수행하였습니다. 이 모델은 정규 분포 또는 로그 정규 분포를 따르는 에너지 대비 길이 분포와 모든 에너지 대비 길이 분포에서 일정한 길이 분포를 가정한 여섯 가지 시나리오를 테스트하였습니다.
본 연구에서는 특정 에너지와 길이를 가진 풀구라이트(번개가 모래나 암석에 떨어져 생성된 유리) 모델을 사용하여, 이들이 어떻게 분열되는지를 시뮬레이션하였습니다. 모든 풀구라이트는 가장 약한 지점인 중앙에서 반으로 나뉘고, 이후 생성된 조각들도 계속해서 반으로 나뉘는 "파열 이벤트"를 적용받았습니다. 이 과정은 풀구라이트가 사전에 경험적으로 설정된 특정 길이에 도달할 때까지 반복되었습니다. 또한, 풀구라이트의 지름과 길이 사이에는 약한 상관관계(R=0.38)가 있어, 더 굵은 풀구라이트가 더 강하고 따라서 더 긴 조각을 생성할 것으로 예상되었습니다. 이 시뮬레이션을 통해 생성된 조각들의 분포와 실제 풀구라이트 조각들의 분포를 비교하였습니다.
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번개의 화석화된 에너지 분포
초록
번개가 토양을 강타하면, 유리로 된 원통형 튜브인 풀구라이트(fulgurite)을 생성할 수 있습니다. 풀구라이트의 형태는 궁극적으로 이를 형성한 번개 타격의 에너지의 결과이며, 따라서 풀구라이트는 구름에서 지면으로 떨어지는 번개의 에너지 분포 빈도를 밝히는 데 유용할 수 있습니다. 미국 플로리다주 폴크 카운티의 모래 광산에서 풀구라이트를 수집하고 분석하여 형태학적 특성을 결정했습니다. 여기에서 우리는 석영 모래 내 번개 타격의 단위 길이당 에너지가 기하 평균 약 1.0 MJ/m이며, 에너지 대 길이 및 빈도에 대해 로그 정규 분포를 보인다는 것을 보여줍니다. 단위 길이당 에너지는 풀구라이트의 직경을 함수로 하여 결정되며, 빈도는 누적 수와 누적 길이 모두에 의해 결정됩니다. 이 분포는 실제 대기 방전 사건에서 측정된 여러 번개 매개변수, 예를 들어 전하 이동량, 전압 및 작용 적분과 유사합니다. 이 방법론은 번개의 에너지와 타격의 피해 가능성을 밝히는 데 유용한 경로를 제안합니다.
서론
구름-지면 번개는 대기와 지표 사이에 양전하 또는 음전하를 전달하는 고에너지 현상입니다. 번개가 발생할 때의 전압은 10^8 V를 초과할 수 있으며, 번개의 총 에너지는 10^9J에 도달하여 공기를 30,000 K 이상의 온도로 가열합니다. 이 현상은 인명 피해, 산불, 재산 피해 등 여러 해로운 영향과 자연 질소 고정 및 토양에서 인의 용해도를 개선할 수 있는 환원 산화 상태 인 화합물의 생성과 같은 몇 가지 긍정적인 효과와 관련이 있습니다.
구름-지면 번개가 모래, 흙, 암석, 점토와 같은 적절한 대상 물질에 떨어지면 전류가 대상 물질을 통과하여 물질을 증발점 이상으로 가열한 후 급속 냉각되어 유리의 속이 빈 원통형 구조인 풀구라이트(fulgurite)을 형성합니다(그림 1). 풀구라이트의 형태는 물질의 구성에 크게 의존하며, 자연 풀구라이트의 경우 유리의 두께는 SiO2로 구성된 물질의 비율에 반비례합니다. 번개는 지구에서 흔한 현상으로, 전 세계적으로 약 45회/초의 번개가 발생하며, 이 중 대다수(75–90%)는 대륙 육지에서 발생합니다. 이 중 약 4분의 1은 구름에서 지면으로 떨어지며, 따라서 잠재적인 풀구라이트 형성 사건의 수는 상당하며 전 세계적으로 초당 최대 10개의 풀구라이트가 형성됩니다. 이 추정치는 번개에 의한 풀구라이트 형성의 효율성에 따라 달라지며, 이는 황량한 모래, 흙, 암석에 번개가 떨어질 때 가장 높습니다. 번개가 숲 지역에 떨어질 경우 반드시 풀구라이트가 형성되는 것은 아니지만, 번개가 나무에 떨어질 때 풀구라이트가 형성되는 것으로 알려져 있습니다. 풀구라이트는 강철 기둥과 같은 인공 구조물과 관련하여 형성되는 것으로도 알려져 있으며, 금속 구조물이 실제로 번개를 그 길을 따라 이동하도록 유도할 수 있습니다. 균질한 대상에서 형성된 풀구라이트는 번개의 주요 매개변수인 번개의 에너지의 확률 분포를 형태에 보존할 수 있습니다. 이를 위해 우리는 미국 플로리다주 폴크 카운티의 두 석영 모래 광산에서 수집한 266개의 풀구라이트 세트를 연구하여 구름-지면 번개 발생 빈도와 에너지의 관계를 결정했습니다(그림 2). 그런 다음 시뮬레이션된 에너지 및 길이 매개변수를 사용하여 계산된 예측 분포를 단순한 파괴 모델과 결합하여 이러한 결과를 비교했습니다. 이 연구의 동기 가설은 많은 다른 번개 매개변수가 로그 정규 분포를 따르기 때문에, 풀구라이트도 에너지에 대해 로그 정규 분포를 따를 수 있다는 것입니다.
그림 1. (A) 현장 지역에서 수집된 대표적인 풀구라이트. 표면 차이는 초기 물리적 조건(예: 모래의 수분 비율)의 차이로 인해 발생하는 것으로 보입니다. 색상 차이는 유리 벽의 두께 차이로 인한 것으로 보이며, 이는 위에서 아래로 1.1 ± 0.1, 0.9 ± 0.3, 1.6 ± 0.3 mm입니다(10번 측정에서 1 표준 편차를 오차로 제공). (B) 현장에서 발견된 풀구라이트. 직경은 약 1.2 cm입니다.
그림 2. 미국 플로리다주 폴크 카운티의 디지털 고도 지도는 풀구라이트 샘플 위치를 보여줍니다. 이 지도는 QGIS 소프트웨어(QGIS 개발팀, 2016, http://osgeo.org)로 준비되었습니다. 기본 지도는 USGS National Elevation Dataset 1/3 arc-second에서 수정되었습니다(www.nationalmap.gov). 카운티 경계는 미국 인구 조사국, 1999년, 플로리다 카운티 경계 - 주 전체(www.census.gov) 이후 플로리다 지리 데이터 라이브러리(www.fgdl.org)에서 수정되었습니다. 도시 정보는 미국 국립 아틀라스, 2004년, 플로리다의 도시 및 마을(www.nationalatlas.gov) 이후 플로리다 지리 데이터 라이브러리(www.fgdl.org)에서 수정되었습니다.
결과
풀구라이트는 직경이 감소하는 순서로 배열되었습니다. 각 풀구라이트에는 직경이 같거나 큰 풀구라이트의 수에 해당하는 번호가 부여되었습니다. 따라서 풀구라이트의 빈도 분포는 에너지/길이(MJ/m)로 풀구라이트를 정렬한 다음 1) 각 조각의 길이와 누적 길이를 종속 변수로 사용하거나 2) 총 수를 종속 변수로 사용하여 계산할 수 있습니다. 대안적으로, 총 에너지(MJ/m × 길이)와 총 수의 분포를 사용하여 분포를 제공할 수도 있습니다. 이러한 빈도 다이어그램은 그림 3에 제공됩니다. 세 가지 방법 모두 에너지의 로그(MJ/m 또는 총 MJ)와 빈도(발생 횟수 또는 누적 길이) 사이에 선형 관계를 생성합니다.
우리는 특정 에너지 분포에서 발생할 수 있는 풀구라이트(fulgurite) 분포의 시뮬레이션도 준비했습니다. 각 풀구라이트의 길이가 정규 분포 또는 일정한 길이를 가지는 에너지의 로그 정규 분포가 자연 풀구라이트 분포와 가장 일치한다는 것을 발견했습니다(지원 정보 참조). 이러한 시뮬레이션은 아래에서 취한 접근 방식에 대한 신뢰를 제공하는 데 도움이 됩니다.
세 가지 접근 방식(미터당 에너지 대 누적 길이, 미터당 에너지 대 누적 수, 총 에너지 대 누적 수)이 번개 에너지 분포를 추정하기 위한 여러 접근 방식을 허용하기 위해 선택되었습니다. 누적 길이는 모든 부분이 회수되지 않을 수 있는 파쇄된 물질의 사건 빈도와 직접 비교할 수 있기 때문에 사용됩니다. 풀구라이트의 전체 길이가 1미터를 초과하더라도 풀구라이트의 직경은 길이에 따라 거의 변하지 않습니다. 따라서 동일한 풀구라이트의 두 조각은 동일한 직경을 가져야 합니다. 이를 위해 에너지를 누적 길이와 비교하면 단일 풀구라이트의 두 조각을 이중으로 계산할 가능성을 제거하는 데 도움이 됩니다. 비교를 위해, 지금까지 발견된 가장 긴 풀구라이트는 길이가 5미터이며, 따라서 이 단일 개체는 현재 연구에서 회수된 모든 풀구라이트의 총 길이의 약 3분의 1입니다. 현재 수집된 모래 광산의 풀구라이트의 중간 길이는 약 5cm이며, 이 길이들 사이에 직경의 유의미한 변화는 없습니다. 결과적으로 풀구라이트를 체계적으로 수집하면 특정 너비의 각 풀구라이트의 풍부함에 비례하는 길이를 가진 분포를 얻을 수 있습니다.
반대로, 각 풀구라이트를 별개의 사건으로 취급하면, 풀구라이트가 수집 전에 파편화된 경우 단일 사건이 여러 번 계산될 가능성이 있습니다. 그러나 여러 사건이 동일한 에너지를 가지고 있다면, 수치 빈도로 계산하면 이 중복성을 고려합니다. 어쨌든 두 접근 방식 모두 로그 E (MJ/m)와 빈도/누적 길이 사이에 매우 유사한 기울기를 제공합니다(표 1 참조). 두 경우 모두 풀구라이트 형성과 관련된 중간(50%) 에너지는 약 1.4 MJ/m이며, 표준 편차는 ×/÷ 3입니다. 풀구라이트 튜브 내에 기록된 총 에너지는 주어진 풀구라이트의 길이에 단위 길이당 에너지를 곱하여 근사할 수도 있습니다. 이러한 계산은 형성 이후 유리의 파손이 최소였다고 가정합니다. 이 시나리오는 완전성을 위해 제시되었지만, 풀구라이트의 취약한 특성 때문에 정확하지 않을 가능성이 큽니다. 그러나 대부분의 풀구라이트 조각이 유사한 길이를 가지고 있기 때문에, 에너지 분포도 단위 길이당 에너지 분포와 마찬가지로 로그 정규 분포입니다. 로그 정규 총 에너지에 맞춘 회귀선 대 빈도 분포는 이러한 계산 중 가장 강력합니다(R2 = 0.9852), 그러나 기울기는 이전 두 접근 방식과 다릅니다.
풀구라이트 분포와 시뮬레이션(SI) 간의 비교는 풀구라이트 조각이 편향 없이 수집되고 풀구라이트가 대략 동일한 파쇄 역사를 경험한 한, 풀구라이트 분포는 길이당 에너지에 대해 로그 정규 분포와 가장 일치한다는 것을 시사합니다. 따라서 총 에너지의 결과 분포도 위의 데이터에 의해 입증된 바와 같이 파쇄되더라도 로그 정규 분포여야 합니다.
풀구라이트 하위 집합의 밀도는 1.8 ± 0.1 g/cm3 (1σ)로 발견되었습니다. 동반 모래의 밀도는 1.7 g/cm3이며, 모래를 구성하는 개별 석영 입자의 밀도는 2.6 g/cm3입니다.
그림 3. 로그 정규 분포. (A) 단위 길이당 에너지 분포 (MJ/m) 대 개수. 각 풀구라이트는 단위 길이당 에너지가 같거나 큰 풀구라이트의 개수에 해당하는 번호가 할당됩니다. 그런 다음 이 번호들은 수집된 풀구라이트의 총 개수로 나누어집니다 (266). (B) 단위 길이당 에너지 분포 (MJ/m) 대 누적 길이. 위와 같이, 각 풀구라이트는 단위 길이당 에너지가 내림차순으로 배열됩니다. 그런 다음 에너지는 해당 에너지 이상을 가진 각 풀구라이트의 누적 길이에 대해 그래프로 표시됩니다. 이 길이는 총 길이 (14.659 m)로 나누어집니다. (C) 총 에너지 분포 (MJ) 대 개수. 총 에너지는 풀구라이트의 직경에서 결정된 단위 길이당 에너지를 그 길이로 곱하여 얻습니다. 그런 다음 풀구라이트는 총 에너지가 감소하는 순서로 배열되고, 각 풀구라이트는 계산된 총 에너지와 같거나 큰 풀구라이트의 개수에 기반한 번호가 부여됩니다. 그런 다음 이 번호들은 수집된 풀구라이트의 총 개수인 266으로 나누어집니다.
표 1. 번개 에너지 빈도를 위한 선형 회귀선 기울기와 y절편.
논의
주어진 번개 스트라이크의 단위 길이당 에너지 E와 해당 스트라이크가 에너지 E 이상을 가지는 빈도 간의 관계는 로그 정규 분포를 따릅니다. 많은 번개 매개변수는 해당 매개변수가 발생하는 빈도에 대해 로그 정규 분포를 따르며, 여기에는 플래시 지속 시간, 전압, 전하 전송, 스트로크 간격, 전류 지속 시간 및 작용 적분이 포함됩니다. 로그 E (MJ/m) 플롯 대 빈도 또는 누적 길이(확률 1로 정규화됨)의 기울기는 모두 −0.6에 가깝습니다. 흥미롭게도, Pichler et al.에 의해 측정된 전하 또는 충격 피크 전류 대 빈도의 기울기도 −0.6으로, 이 풀구라이트 형태 기울기와 거의 동일합니다.
공중 범위에서 구성 성분이 크게 변하지 않는 전도성이 낮은 목표 물질의 경우, 스파크를 전파하기 위해 물질의 파괴 필드 강도를 초과해야 합니다. 모래의 경우, 이 강도는 석영의 파괴 강도인 8 MV/m보다 작습니다. 공기는 더 낮은 파괴 강도(~1 MV/m, 해수면에서)를 가지므로, 모래의 파괴 강도는 단독 석영보다 작아야 합니다. 따라서 번개가 모래에 의해 침전된 단위 길이당 에너지는 모래의 절연 능력이 실패할 때 모래를 통해 전파되는 전자의 수와 풀구라이트에 인접한 가열된 플라즈마 기둥에 의해 전달된 열 에너지의 양의 함수여야 합니다. 번개에 의해 전송된 전하의 양은 로그 정규 분포 함수를 따르는 것으로 알려져 있으며, 따라서 번개에 의해 침전된 에너지도 동일한 분포를 따를 것으로 예상됩니다. 전하 전송의 로그 정규 특성은 따라서 풀구라이트 에너지의 단위 길이당 로그 정규 분포의 원인이 될 수 있으며, 다른 매개변수도 역할을 할 수 있습니다.
풀구라이트에서 단위 길이당 에너지의 "화석화" 정확성.
풀구라이트의 밀도는 가열 중에 석영 모래에서 크게 변하지 않은 것으로 보입니다. 이는 번개가 칠 때 용융된 실리카의 움직임이 거의 없었음을 의미합니다. 가열된 공기의 기둥이 가스의 팽창에 의해 용융된 유리를 방사형으로 밀어냈다면, 유리는 공극에서 공기가 대체되면서 실리카 유리의 밀도 (~2.6 g/cm3)에 더 가까운 값으로 밀도가 증가했을 것입니다. 대신, 모래와 유리의 밀도 유사성은 유리가 모래만큼 다공성임을 시사합니다. 약 0.1 g/cm3의 증가는 풀구라이트 외부에 포획된 녹지 않은 석영 입자의 존재로 설명될 수 있습니다. 이 입자들은 풀구라이트 표면에 얼어붙으면 풀구라이트의 밀도를 증가시킬 것입니다. 특히 모래 입자의 크기가 풀구라이트 벽의 크기보다 크게 작지 않은 경우에 그렇습니다. 모래 입자의 크기가 0.1에서 0.5 mm 범위에 있으며, 풀구라이트 유리 벽은 일반적으로 약 1 mm 두께이므로, 석영 입자의 삽입만으로도 모래에서 밀도의 증가를 가져올 것입니다. 따라서 우리는 풀구라이트가 번개의 원래 에너지를 큰 수정이나 번개 후 유체 이동 없이 포착한다고 결론지었습니다.
분포 잔차.
우리는 그림 3에 보고된 에너지 대 빈도가 최대 네 가지 별개의 현상을 기록할 수 있다고 가정합니다. 계산된 회귀선에 대한 데이터 잔차는 불연속성이 발생하는 세 지점을 보여줍니다(그림 4). 이러한 편차는 세 가지 로그 정규 플롯 모두에서 발생합니다. 그 중 하나는 고에너지 영역(6 MJ/m 이상 또는 0.2 MJ 총 에너지)에서 발생합니다. 이 그룹은 모든 풀구라이트의 약 3–4%를 구성하며, 우리는 풀구라이트를 형성하는 번개가 양전하로 변할 때 이 불연속성이 발생한다고 추측합니다. 양전하 번개는 음전하 번개보다 평균 에너지가 높으며, 연간 모든 번개의 약 4%를 차지하는 것으로 알려져 있습니다. 단위 길이당 낮은 에너지(<6 MJ/m)는 아마도 음전하 번개에 의해 형성된 풀구라이트를 나타내며, 이는 구름에서 지면으로의 번개 사건 중 가장 일반적인 유형입니다. 1에서 6 MJ/m(0.08에서 0.2 MJ) 사이에서 발생하는 빈도의 불연속성은 따라서 로그 정규 공간에서 다른 분포를 가진 두 가지 다른 번개 유형의 혼합으로 인한 것일 수 있습니다: 에너지가 감소함에 따라 점점 줄어드는 고에너지 종류와 낮은 에너지에서 더 중요해지는 저에너지 종류. 또는 이러한 편차는 풀구라이트 분포 시뮬레이션에서도 나타나며, 더 두꺼운 풀구라이트 조각의 강한 특성으로 인해 발생합니다. 더 큰 풀구라이트가 더 작은 풀구라이트보다 쉽게 부서지지 않는다면, 이러한 기울기 변화가 예상됩니다. 1 MJ/m에서 0.3 MJ/m 이하(또는 0.005에서 0.08 MJ 총 에너지)까지 잔차는 대략 일정하여 로그 정규 공간에서 계산된 회귀 기울기와 일치함을 암시합니다. 마지막으로, 0.3 MJ/m(0.005 MJ 총 에너지) 이하의 에너지가 가장 낮은 풀구라이트입니다. 이들은 아마도 매우 얇은 풀구라이트가 더 취약하고, 더 작고, 회수가 더 어렵기 때문에 경향에서 벗어날 것입니다. 따라서 이 크기 범위 내에서 풀구라이트를 정확하게 수집하는 것은 어렵습니다. 이러한 점 중 어느 하나를 증명하려면 특정 번개를 특성화한 후 형성된 풀구라이트의 형태를 관찰해야 합니다.
그림 4. 각 데이터 포인트에 대한 계산된 잔차(계산 회귀선과 실제 데이터 포인트 사이의 거리, y축에 대한)를 (A) 로그 E (MJ/m) 대 빈도, (B) 로그 E (MJ/m) 대 누적 길이, (C) 로그 E (MJ) 대 빈도에 대해 나타냅니다.
풀구라이트를 형성하는 데 소모된 에너지.
석영 모래에서 이러한 풀구라이트를 형성하는 데 필요한 평균 에너지는 약 1.4 MJ/m이며, 표준 편차는 ×/ ÷ 3입니다. 대조적으로, 공기를 통해 이동하는 번개의 단위 길이당 에너지는 103에서 104 J/m 사이입니다. 이러한 길이를 따라 총 에너지를 고려하면, 공기를 통한 5 km 번개는 약 5 MJ를 소모하고, 이에 상응하는 10 cm 풀구라이트는 단지 약 0.1 MJ를 소모합니다. Maggio et al.의 에너지 추정치도 번개 타격 에너지가 108–109 J임을 시사하며, 이는 번개의 에너지 중 1% 이하가 풀구라이트 형성에 포착됨을 의미합니다. 그러나 풀구라이트가 형성되는 지반 물질 내에서 단위 길이당 에너지는 대기 중 단위 길이당 에너지보다 약 100–1000배 더 높습니다. 이는 목표 물질의 밀도(1700 kg/m3)가 대기(~1 kg/m3)와 비교하여 약 1000배 차이가 나기 때문일 가능성이 큽니다. 따라서 번개에 의한 에너지 소모는 번개가 이동하는 물질의 밀도의 함수입니다.
결론
우리는 여기서 풀구라이트에서 번개 에너지 분포를 결정하려는 첫 번째 시도와 고체 지구 표면에 대한 손상의 함수로 측정된 구름에서 지면으로의 번개 에너지 전달의 첫 번째 데이터 세트 중 하나를 보고했습니다. 풀구라이트를 형성하는 데 필요한 에너지의 빈도 분포는 로그 정규 관계를 따르며, 이는 많은 번개 현상과 일치합니다. 로그 정규 관계는 정상 확률 분포의 곱셈의 자연스러운 결과이며, 번개 현상과 마찬가지로 지면으로 전달되는 에너지가 일반적인 정상 분포보다 더 높은 빈도로 고에너지 사건으로 치우쳐 있음을 암시합니다.
현재 연구는 번개 매개변수를 결정하는 새로운 접근 방식을 제시합니다. 이러한 번개 매개변수의 측정은 일반적으로 로켓 발사로 유도된 번개를 분석하거나 탑과 높은 건물에 대한 번개 분석을 통해 이루어집니다. 이러한 방법들은 전도성 목표물에 번개가 떨어질 때 관련된 대부분의 번개 매개변수를 제공했습니다. 여기서의 연구는 절연 재료(미세 석영 모래)에 대한 구름-지면 번개에서 에너지를 직접적으로 결정하는 방법을 제공합니다. 전도성 재료에서 평균 에너지가 1.4 MJ/m이고, 최대 20 MJ/m를 초과하는 이 데이터는 구름-지면 번개로 인한 피해를 예측하는 데 유용할 수 있습니다. 점토나 암석과 같은 다른 재료에서 발생하는 풀구라이트가 현재 연구와 유사한 방식으로 조사될 수 있다면, 점토와 암석 풀구라이트는 번개로 인한 열 효과를 보존하는 데 일반적으로 더 뛰어나기 때문에 번개의 에너지에 대한 더 나은 해상도가 가능할 수 있습니다.
(Method 생략)
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👤 작성자
문지기 baibel
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문지기 baibel
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