자연계의 빛 : 오로라, 반딧불, 번개의 공통점은?

 

 

「형광」과 「인광」의 정체는?

어둠 속에서 빛을 발하는 물체에 놀란 적이 있습니까? 우선, 그 정체일 가능성이 높은 「형광」이나 「인광」에 대해 알아봅시다. 빛이나 전자선을 비추면 빛을 방출하는 물질을 「형광체」 「인광체」라고 합니다. 형광등이나 TV의 브라운관에는 형광체, 손목시계의 문자판에는 인광체가 사용되고 있습니다. 이들은 흡수된 빛을 다른 파장의 빛으로 방출하는 특성을 가지고 있습니다. 빛을 즉시 방출, 10억 분의 1초에서 10만 분의 1초라는 순간에 사라지는 것이 "형광", 1000분의 1초에서 10초라는 천천히 빛나는 것이 "인광"입니다. 형광, 인광을 아울러 「루미네센스」라고도 합니다. 일반적으로 물체가 빛을 내는 것은 원자나 분자의 가장 바깥쪽의 궤도를 돌리는 전자가 외부에서 에너지를 얻고, 더 높은 궤도로 뛰어 올라가 그것이 원래의 에너지 "기저 상태"로 떨어질 때, 두 개의 궤도의 에너지차를 빛(이 경우, “빛”이라기보다 “전자파”라고 일반적으로 말하는 편이 정확하겠지요)으로서 방출하는 것입니다. 높은 에너지 레벨로의 상승은 "여기"라고 불립니다.

하나의 에너지 레벨 궤도에는 전자는 두 개밖에 넣지 않습니다. 이것을 「파울리의 금제」라고 합니다. 한편, 전자는 스핀(자전)을 하고 있습니다. 두 전자는 각각 역방향으로 스핀하고 있는 "일중항 상태", 같은 방향으로 스핀하고 있는 "삼중항 상태"로 나뉩니다. 일반적으로는 전자의 형태를 취하고 있습니다. 그런데, 형광은, 여기한 두 개의 전자가 일중항 상태, 인광에서는, 여기한 전자가 삼중항 상태가 되어 있습니다. 인광에서는 원래의 일중항의 기저 상태로 떨어지는데 시간이 걸리기 때문에 오랫동안 빛을 내는 것입니다.

 

 

반딧불의 빛으로 책을 읽을 수 있습니까?

 

「형광」과 닮은 것 같습니다만, 완전히 다른 것이 반딧불의 빛입니다. 이것은 물질의 화학 반응에 의해 발생하는 빛입니다. 물질이 산소와 연결되어 새로운 분자가 생길 때, 그 분자는 에너지의 높은 여기 상태가 됩니다. 여기 상태에서 에너지가 낮은 정상 상태, 기저 상태로 돌아갈 때 빛이 방출됩니다 (열은 발생하지 않기 때문에 "차가운 빛 (냉광)"이 됩니다).반딧불의 경우, 체내에 있는 "루시페린"이라는 물질이 "루시퍼라제"라는 효소에 의해 산화되는 반응이 일어나고 있습니다.

 

반딧불이 배를 부풀려 호흡할 때 빛나는 이유입니다. 그 녹색으로 보이는 빛의 스펙트럼은 전등처럼 광범위한 연속 스펙트럼이 아니지만 반딧불이 책에 가까워지면 확실히 문자를 읽을 수 있습니다.

반딧불의 빛은 지금, 생각도 못하는 곳에서 맹활약하고 있습니다. 유전자 변형입니다. 새롭게 삽입하고 싶은 유전자를 통합한 DNA가 제대로 핵 속에 들어가 있는지를 확인하기 위해 루시퍼라제를 만들어내는 유전자도 함께 넣는 것입니다. 루시페린을 걸고 뽀뽀 빛이 나오면, 새로운 유전자가 제대로 짜넣어지고 있는 증거가 됩니다.

 

 

어두운 밤에 배가 무섭게 빛난다? 

 

한때 범선으로 항해하고 있었던 시대, 선원들은 이상한 현상을 만났습니다. 폭풍우나 격렬한 뇌우를 만난 후, 돛대의 끝에 희미하게 불타는 불이 보일 수 있습니다. 황천을 극복한 선원들은 이것을 하나님에 의한 축복의 신호라고 생각해 항해의 수호신 세인트 엘모에게 덧붙여 「세인트 엘모의 불」이라고 불렀습니다. 이 불은 교회의 첨탑과 산 정상, 안테나의 첨단 등에서 보일 수도 있습니다. 원인은 대기 중 전위차인 것으로 알려져 있습니다.

 

일정 간격을 두고 플러스 극과 마이너스 극을 마주 보는 전압을 올리면 양극 사이에 불꽃이 날아갑니다(방전). 이 모습을 잘 관찰하면, 불꽃이 날기 전에, 전기장의 높은 부분이 희미하게 빛을 발하는 것이 보입니다(「코로나 방전」). 세인트 엘모의 불은 카미나리 구름 등에 의해 대기 중의 전위차가 급격히 확대되어 일어나는 코로나 방전입니다. 코로나 방전은 전위차가 1cm당 100 볼트 정도로 일어나 1000 볼트 정도로 세인트 엘모의 불 등의 현상이 일어나 1만 볼트 이상이 되면 가면과 같은 불꽃 방전이 됩니다. 또, 특히, 뾰족한 것의 첨단에서는 대기 중을 향해 첨단 방전류라고 하는 전류가 흐르고 있어, 코로나 방전도 일어나기 쉬워지고 있습니다.

 

 

번개는 정전기의 무서운 장난?

 

 

카미나리는 대기 중 전위차로 인한 "방전"입니다. 카미나리 구름 (적란운)은 강한 상승 기류에 의해 할 수 있습니다. 상공으로 떠나는 수증기는 물방울이 되고, 한층 더 얼어 빙정이 됩니다. 한편, 카미나리 구름의 정상 부근에서 무거워지고 낙하하는 빙정은, 다른 빙정이나 물방울과 붙어있어 있어 되어, 한층 더 낙하합니다. 그러면, 카미나리 구름 속에서는 떠오르는 빙정과, 낙하하는 우상이 부딪칩니다.

그건 그렇고, 이러한 얼음 결정과 일부는 물 분자가 H + 이온과 OH - 이온으로 이온화됩니다. 이 경우 큰 OH- 이온 에 비해 작은 H + 이온은 움직이기 쉽고, 게다가 온도가 높은 편이 움직이기 쉽다는 성질을 가지고 있습니다. 온도가 낮은 빙정과 그보다 온도가 높은 곳이 문지르면, 움직이기 쉬운 응어리에서 빙정으로 H + 가 이동합니다.

그 결과, 상승하는 빙정은 플러스에, 낙하하는 우린 마이너스로 대전하게 되어, 카미나리 구름 상부에는 플러스의 전하, 중간에는 마이너스의 전하가 쌓입니다. 또한 기온이 -10도보다 높은 지표에 가까운 곳에서는 우박 표면에 물방울이 달라붙어 물의 층이 되어 있습니다. 우박 내부에는 H + 이온, 표면의 물 중에는 움직이기 어려운 OH - 이온이라는 상태입니다. 여기에서 우박이 빙정에 부딪히면, 빙정은 우박의 표면의 OH- 이온수 의 층을 뜯어내고 상승하고, 남아 있는 우림은 플러스로 대전합니다.

 

이런 식으로 카미나리 구름 속에는 위에서 플러스 마이너스 플러스라는 발전소와 같은 것이 생겨 버립니다. 이 발전소의 전압은 수억 볼트, 순식간에 수만 암페어의 규모의 전류가 흐릅니다. 전기는 원래 대기 중을 통과하기 어려운 성질이 있기 때문에, 이 전류가 흐르면 매우 고온의 열이 일어나, 그 열에 의해 발생하는 빛이 됩니다.

 

 

오로라는 빛의 쇼?

오로라는 남극과 북극의 자극 주변에서 볼 수 있습니다. 지상 100~1000km 상공에 나타나는 여러 가지 빛깔의 발광 커튼입니다. 이것은 태양으로부터 오는 바람 「태양풍」의 주성분인 전하를 띤 고에너지의 입자(전자나 양자)가 자력선에 따라 남북 양자극에 돌입, 상공의 희박한 질소 원자나 산소 원자와 충돌하면 발생합니다. 고도 100~200km에서는 여기된 산소 원자가 내는 파장 558 나노미터의 녹색빛이 잘 보입니다.

 

그것보다 높은 하늘에서는 질소 원자가 내는 파장 391 나노미터의 빛 등이 더해져 옵니다. 그 빛은 대기 중의 수소, 산소, 질소의 원자나 분자마다 다른 색이 되어 있어 화려합니다. 오로라가 남극이나 북극에서 볼 수 있는 것은 지구는 N극을 남극, S극을 북극으로 한 거대한 자석과 같은 것으로, N극이나 S극에 전하를 띤 입자가 끌려가기 때문입니다.