디지타이저 및 제너레이터 전문기업 스펙트럼 인스트루먼트(Spectrum Instrumentation)의 ADC 카드가 번개 연구에서 핵심 연구 장비로 사용되며, 대규모 데이터 처리에 있어서 탁월함이 입증됐다.

스펙트럼은 ‘8-채널 디지타이저 시스템’이 미국 듀크대학교의 번개 연구 과정에서 핵심 데이터 장치로 활용됐다고 21일 밝혔다.

번개는 대개 불투명한 구름 안에서 발생한다. 따라서 번개 발생 시, 그 안에서 일어나는 현상을 정확히 규명하는 것은 여전히 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 또 다른 난제다.

이런 과제를 해결하기 위해 미국 노스캐롤라이나주 듀크대학교 스티븐 A. 커머(Steven A. Cummer) 교수의 연구팀은 스펙트럼 인스트루먼트의 ADC 카드를 선택했다.

이 연구의 목적은 번개 형성 과정을 이해하고, 이를 활용해 번개로 인한 건물 피해를 줄이고, 나아가 기후변화와 번개 발생 빈도의 연관성을 파악하는 것이다. 

듀크대학교 전기 컴퓨터 공학과의 스티븐 커머(Steven A. Cummer) 교수는 ADC 카드를 비롯 스펙트럼의 ‘8-채널 디지타이저 시스템’이 자신들의 연구에 어떻게 활용됐는지 다음과 같이 설명한다.

“번개가 몰아치는 동안에는 시간당 1테라바이트 이상을 기록할 수 있어야 한다. 몇 년 전만 해도 이런 엄청난 양의 데이터를 캡처하고 처리할 수 있는 장비가 없었다. 지금 저희는 4개 채널을 보유한 Spectrum M4i.4451-x8 디지타이저 카드를 활용하고 있다. 그 중 두 개를 레코딩 장비에 사용하고 있다. 이 카드들은 Spectrum사의 Star-Hub를 통해 8개의 안테나에서 동시에 데이터를 레코딩 할 수 있다. Star-Hub는 안테나를 사용하여 간섭계를 구성하기 때문에 모든 것이 완벽하게 동기화되도록 보장한다”

Spectrum M4i.4451-x8 디지타이저 카드는 각 채널에서 초당 500MS/s 샘플링 속도로 필요한 양의 데이터를 수집한다. 또 14비트 해상도를 이용해 미세신호도 모두 포착할 수 있다.

커머 교수는 “각기 다른 안테나의 미세한 신호 차를 이용해 최대 50킬로미터 떨어진 번개 위치를 파악할 수 있다”고 설명했다.

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.
 
이번 연구에서 보유한 8-채널 ADC 카드를 제어하고 프로그래밍하는 경우 스펙트럼사의 자체 측정 소프트웨어 SBench 6가 활용됐다.

이와 관련해 커머 교수는 “소프트웨어가 사용하기 매우 쉽고 다용도로 활용 가능해 소프트웨어 프로그램 개발에 따로 시간을 쏟지 않아도 됐다”고 밝혔다.

또한 커머 교수의 연구팀은 약 30년 전에 발견된 번개에 따라 고에너지 감마선 생성 여부가 다른지에 대한 또 다른 연구를 진행 중이다. 우주에서만 발견될 것이라 예상했던 감마선은, 뇌우 섬광이 시작될 때 바로 생성되기도 한다. 연구팀이 이 프로젝트에서 수집한 뇌우 발생 전 사전 데이터는 학계의 감마선 생성에 대한 이해를 돕고 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 번개가 먹구름 내부에서 발생해 희미하게 비춰진 구름만 제한적으로 볼 수 있다는 점에서 주목할 만하다.

전체 구조는 VHF 무선 측정을 통해 다이어그램으로 포착되었고, 방위각과 고도를 통해 하늘의 모든 위치가 명확하게 표시되어 있다.

이 번개 발생 순서는 1초간 지속되는 번개의 슬로우 모션을 담은 아래의 관련 연구 영상 링크를 통해 확인할 수 있다. 동영상에서 보이는 각 점은 번개가 발생할 때 감지되는 전파 데이터이며, 이 지점을 종합해서 살펴보면 번개의 공간과 시간 구조를 선명하게 파악할 수 있다.