번개는 대개 불투명한 구름 안에서 발생한다. 따라서 번개 발생 시, 그 안에서 일어나는 현상을 정확히 규명하는 것은 어려운 일이다. 물론 번개 발생 시 생성되는UHF 및 VHF 주파수 범위의 전파는 추적과 분석이 가능하지만, 번개 발생 전후 몇 초간 방대한 양의 데이터를 처리 기록하는 것은 또다른 난제다.
이런 과제를 해결하기 위해 미국 노스캐롤라이나주 듀크대학교 스티븐 A. 커머(Steven A. Cummer) 교수의 연구팀은 스펙트럼 인스트루먼트의 ADC 카드를 사용했다. 연구 목적은 번개 형성 과정을 이해하고, 이를 활용해 번개로 인한 건물 피해를 줄이고, 나아가 기후변화와 번개 발생 빈도의 연관성을 파악하는 것이다.
스티븐 커머(Steven A. Cummer) 교수는
“번개가 몰아치는 동안에는 시간당 1테라바이트 이상을 기록할 수 있어야 합니다. 몇 년 전만 해도 이런 엄청난 양의 데이터를 캡처하고 처리할 수 있는 장비가 없었습니다. 지금 저희는 4개 채널을 보유한 Spectrum M4i.4451-x8 디지타이저 카드를 활용하고 있습니다. 그 중 두 개를 레코딩 장비에 사용하고 있습니다. 이 카드들은 Spectrum사의 Star-Hub를 통해 8개의 안테나에서 동시에 데이터를 레코딩 할 수 있습니다. Star-Hub는 안테나를 사용하여 간섭계를 구성하기 때문에 모든 것이 완벽하게 동기화되도록 보장합니다.” 라고 설명했다. 이와 함께 “각기 다른 안테나의 미세한 신호 차를 이용해 최대 50킬로미터 떨어진 번개 위치를 파악할 수 있다”고 커머 교수는 설명했다.
Spectrum M4i.4451-x8 디지타이저 카드는 각 채널에서 초당500MS/s 샘플링 속도로 필요한 양의 데이터를 수집한다. 또 14비트 해상도를 이용해 미세신호도 모두 포착할 수 있다.
커머 교수의 연구는 번개 발생 직후는 물론 신호발생전 상황에도 초점을 맞추고 있다. 하지만 광학 데이터 수집에 의존할 경우엔 번개 발생 전 데이터 확보가 쉽지 않았다. 이젠 스펙트럼 인스트루먼트의 디지타이저를 통해 신호발생전 데이터 수집이 더욱 용이해졌다.
스펙트럼 디지타이저 카드는 지속적으로 데이터를 기록, 이후 필요하지 않은 경우 자동으로 데이터를 삭제한다. 이 연구의 경우 번개가 데이터 저장 여부를 판단하는 트리거가 된다. 즉 번개가 실제로 발생하면 사전 데이터는 자동 삭제되고, 번개가 치면 그 전후의 데이터가 저장된다. 따라서, 카드당 2기가 샘플의 메모리를 사용하면 필요한 만큼의 초당 수백 메가 샘플의 신호를 모두 수집한 다음 SDD에 기록할 수 있는 충분한 저장 공간을 확보할 수 있다. 이러한 방식으로 시스템은 다음 번개 발생 시 데이터 기록을 위해 빠르게 재설정되고, 수 시간 번개가 발생하는 폭풍우에서도 몇 초 단위로 데이터를 수집할 수 있다.
안테나가 있는 8채널 시스템은 지금까지 더럼에 위치한 듀크 대학교의 고정된 위치에서 운영되고 있다. 특히 2019년 4월 12일 21:24:40(UTC)에 기록된 번개는 전체 구조가 VHF 무선 측정을 통해 다이어그램으로 포착되었고, 방위각과 고도를 통해 하늘의 모든 위치가 명확하게 표시되어 있다.
By 김현동 에디터 PRESS@weeklypost.kr
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