[논문 리뷰] Snowfall induced by corona discharge

Jingjing Ju, Tie-Jun Wang외 13명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 06.

Lightning and Electromagnetic Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 코로나 방전이 클라우드 챔버에서 눈을 유도할 수 있음을 입증하며, 이온 풍이 응결핵으로서의 이온보다 더 중요한 역할을 한다고 밝혔다. 30 kV의 방전을 25분 동안 가동하여 눈 강수를 2.25 g 증가시켰으며, 유사 조건에서 파장이 짧은 레이저 필라멘테이션보다 전원 공급 효율이 4개 정도 높았다.

ABSTRACT

We demonstrated for the first time the condensation and precipitation (or snowfall) induced by a corona discharge inside a cloud chamber. Ionic wind was found to have played a more significant role than ions as extra Cloud Condensation Nuclei (CCN). 2.25 g of net snow enhancement was measured after applying a 30 kV corona discharge for 25 min. In comparison with another newly emerging femtosecond laser filamentation method, the snow precipitation induced by the corona discharge has about 4 orders of magnitude higher wall-plug efficiency under similar conditions.

연구 동기 및 목표

• 코로나 방전이 통제된 대기 조건에서 응결과 강수를 유도할 수 있는지 조사하기.
• 이온 풍과 이온이 응결핵으로서 눈 형성에 미치는 상대적 역할을 규명하기.
• 신규로 개발 중인 레이저 기반 강우 강화 기술과 비교하여 코로나 방전의 에너지 효율성을 평가하기.
• 통제된 코로나 방전 적용 조건에서의 순 눈 강수 증가량을 정량화하기.
• 코로나 방전이 확장 가능하고 낮은 에너지 소모로 가능한 기상 조작 방법으로서의 잠재력을 탐색하기.

제안 방법

• 대기 조건을 시뮬레이션하기 위해 온도 조절이 가능한 클라우드 챔버에서 실험을 수행하였다.
• 침선형 전극을 사용하여 30 kV의 코로나 방전을 적용하여 이온과 이온 풍을 생성하였다.
• 고속 영상 촬영 및 질량 측정 장치를 통해 응결과 강수를 모니터링하였다.
• 방전 전후의 눈 침적량을 비교하여 순 눈 질량 증가량을 측정하였다.
• 증가된 눈의 질량을 전기 에너지 입력량으로 나누어 전원 공급 효율을 계산하였다.
• 유사한 환경 조건에서 파장이 짧은 레이저 필라멘테이션의 결과와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코로나 방전은 실험실의 클라우드 챔버에서 측정 가능한 눈 강수를 유도할 수 있는가?
• RQ2 이온 풍이 이온 단독보다 눈 형성에 더 효과적인가?
• RQ3 유사 조건에서 코로나 방전에 의한 눈 강수의 전원 공급 효율은 레이저 필라멘테이션과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 방전의 지속 시간과 전압이 눈 강수 증가에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 코로나 방전는 레이저 기반 강우 강화 방법의 실질적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 코로나 방전는 통제된 클라우드 챔버 환경에서 측정 가능한 눈 강수를 성공적으로 유도하였다.
• 이온 풍이 이온보다 눈 형성 향상에 더 중요한 역할을 하는 것으로 나타나, 기계적 효과가 핵형성보다 더 우세함을 시사한다.
• 30 kV의 코로나 방전를 25분 동안 적용한 결과 순 눈 강수 증가량이 2.25g로 기록되었다.
• 유사 조건에서 파장이 짧은 레이저 필라멘테이션보다 코로나 방전에 의한 눈 강수의 전원 공급 효율이 약 10,000배 높았다.
• 다수의 시험에서 일관되고 반복 가능한 결과를 보였으며, 재현 가능성은 높은 것으로 나타났다.
• 결과는 이온 풍이 인공 강우에서 수증기 방울의 융합과 얼음 결정 형성 향상에 핵심적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.