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유도 효과 분열
유도 효과는 원자에 존재하는 전하와 원자에 결합된 그룹에 따라 분자의 안정성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 원자가 양전하를 띠고 −I 그룹에 부착되어 있으면 전하가 '증폭'되어 분자가 더 불안정해진다. 유사하게, 원자가 음전하를 띠고 +I 그룹에 부착되어 있으면 전하가 '증폭'되어 분자가 더 불안정해진다. 반대로, 원자가 음전하를 띠고 −I 그룹에 부착되어 있으면 전하가 '감소'되어 I-효과를 고려하지 않은 경우보다 분자가 더 안정해진다. 유사하게, 원자가 양전하를 띠고 +I 그룹에 부착되어 있으면 전하가 '감소'되어 I-효과를 고려하지 않은 경우보다 분자가 더 안정해진다. 위 설명의 이유는 원자 내 전하가 많을수록 안정성이 감소하고 전하가 적을수록 안정성이 증가하기 때문이다.
유도 효과 산도와 염기도
유도 효과는 분자의 산도와 염기도를 결정하는 데에도 중요한 역할을 한다. +I 효과(유도 효과)를 가진 그룹이 분자에 부착되면 분자의 전체 전자 밀도를 증가시켜 분자가 전자를 공여할 수 있게 되어 염기성을 띠게 된다. 유사하게, -I 효과를 가진 그룹이 분자에 부착되면 분자의 전체 전자 밀도를 감소시켜 전자가 부족하게 되어 산성을 띠게 된다. 분자에 부착된 -I 그룹의 수가 증가할수록 산도는 증가하고, 분자에 부착된 +I 그룹의 수가 증가할수록 염기성은 증가한다.
유도 효과 응용
카복실산의 세기는 이온화 상수의 정도에 따라 달라진다. 이온화가 많이 될수록 더 강한 산이다. 산이 강해질수록 pKa 값은 낮아진다.
산에서 알킬기의 전자를 밀어내는 유도 효과는 산소의 전자 밀도를 증가시켜 O-H 결합이 끊어지는 것을 방해하고, 결과적으로 이온화를 감소시킨다. 더 큰 이온화 때문에 폼산 (pKa=3.74)은 아세트산 (pKa=4.76)보다 강하다. 그러나 모노클로로아세트산 (pKa=2.82)은 염소의 전자를 끌어당기는 효과가 이온화를 촉진하기 때문에 폼산보다 강하다.
벤조산에서 고리에 존재하는 탄소 원자는 sp2 혼성화되어 있다. 그 결과 벤조산 (pKa=4.20)은 사이클로헥산카복실산 (pKa=4.87)보다 강한 산이다. 또한, 방향족 카복실산에서 오르토 및 파라 위치에 치환된 전자 끄는 그룹은 산의 세기를 강화할 수 있다.
카복실 그룹 자체가 전자를 끄는 그룹이므로 다이카복실산은 일반적으로 단일 카복실 아날로그보다 강한 산이다.
유도 효과는 결합의 극성화에도 도움을 주어 특정 탄소 원자 또는 다른 원자 위치를 형성한다.
카피차-디랙 효과
카피차-디랙 효과(Kapitsa–Dirac effect)는 정상파 형태의 빛에 의한 물질의 회절로 구성된 양자역학적 효과이다. 이는 주기적인 격자에 의한 빛의 회절과 완벽하게 유사하지만, 물질과 빛의 역할이 뒤바뀐 것이다.
이 효과는 1933년 폴 디랙과 표트르 카피차에 의해 빛의 정상파에 의한 전자 회절로 처음 예측되었다. 이 효과는 1924년 루이 드 브로이 가설에서 언급된 물질의 파동-입자 이중성에 기반한다. 빛의 정상파에 의한 물질파 회절은 중성 원자 빔을 사용하여 처음 관찰되었다. 이후, 원래 제안된 카피차-디랙 효과는 2001년에 관찰되었다.
카피차-디랙 효과 개요
1924년, 프랑스 물리학자 루이 드 브로이는 물질이 다음과 같이 파동과 같은 특성을 나타낸다고 가정했다.
여기서 h는 플랑크 상수이고, p는 입자의 운동량이며, λ는 물질파의 파장이다.
여기서 물질 입자들 사이에 간섭 효과가 발생한다는 결론이 나온다. 이는 카피차-디랙 효과의 기초를 형성한다. 즉, 빛의 정상파에 의한 물질파의 회절이다.
일관된 빛의 빔은 주기적인 회절격자를 통과하면 여러 개의 피크로 회절된다. 물질파 이중성으로 인해, 물질도 주기적인 회절격자에 의해 회절될 수 있다. 이러한 회절격자는 물리적 물질로 만들어질 수 있지만, 빛-물질 상호작용으로 인해 역전파하는 한 쌍의 빛 빔에 의해 형성된 빛의 정상파로도 생성될 수 있다. 여기서 빛의 정상파는 물질파를 회절시키는 공간적으로 주기적인 격자를 형성하며, 이제 이를 설명할 것이다.
카피차-디랙 효과 개요
원래 아이디어는 두 개의 역전파하는 빛 빔의 중첩에 의해 형성된 정상파에 의해 전자 빔이 회절될 수 있다고 제안한다. 회절은 빛-물질 상호작용에 의해 발생한다. 이 경우, 각 전자는 한 빔에서 광자를 흡수하고, 다른 빔으로 반대 방향으로 이동하는 광자를 다시 방출한다. 이는 전자에 의한 유도된 콤프턴 산란을 설명하는데, 여기서 재방출은 두 번째 빛 빔의 존재에 의해 유도되기 때문이다. 유도된 콤프턴 산란의 특성으로 인해, 재방출된 광자는 흡수된 광자와 동일한 주파수와 반대 방향을 가져야 한다. 결과적으로, 전자에 전달되는 운동량의 크기는 여야 하며, 여기서 는 정상파 패턴을 형성하는 빛의 파동벡터이다.
원래 제안은 전자에 초점을 맞췄지만, 위 분석은 빛과 상호작용하는 다른 유형의 물질파로 일반화될 수 있다. 예를 들어, 차가운 중성 원자도 카피차-디랙 효과를 경험할 수 있다. 실제로, 카피차-디랙 효과의 첫 관찰 중 하나는 차가운 나트륨 원자빔을 사용하는 것이었다. 오늘날, 카피차-디랙 효과는 빛의 정상파에 의해 형성되는 광학 격자의 깊이를 교정하는 표준 도구이다.
카피차-디랙 효과 개요
전자기파든 물질파든 주기적인 격자에서의 회절은 크게 두 가지 체제로 나눌 수 있다. 바로 브래그 체제와 라만-나트 체제이다. 브래그 체제에서는 본질적으로 하나의 회절 피크만 생성된다. 라만-나트 체제에서는 여러 회절 피크를 관찰할 수 있다.
물질 격자에서의 빛 회절이라는 익숙한 예로 돌아가는 것이 도움이 된다. 이 경우, 두꺼운 격자에서는 브래그 체제가, 얇은 격자에서는 라만-나트 체제가 얻어진다. 동일한 용어를 카피차-디랙 효과에도 적용할 수 있다. 여기서 격자의 "두께" 개념은 물질파가 빛장 안에 머무는 시간으로 전환될 수 있다.
여기서 라만-나트 체제의 예를 제시한다. 여기서 물질은 입자의 소위 반동 주파수에 비해 짧은 시간 동안 정상파에 머문다. 이 근사는 상호작용 시간이 입자의 반동 주파수의 역수보다 작을 때 유효하다. 즉, 이며, 여기서 이다.
전자기파 (일반적으로 빛)의 정상파에 입사하는 일관된 입자 빔은 다음 방정식에 따라 회절된다.
여기서 n은 정수이고, λ는 입사 입자의 드 브로이 파장이며, d는 격자 간격이고, θ는 입사각이다.
카피차-디랙 효과 라만-나트 체제에서의 회절 패턴
여기서는 라만-나트 체제에서 카피차-디랙 효과의 회절 패턴을 분석한다.
빛의 정상파에서 상호작용하는 물질파의 경우, 빛-물질 상호작용의 효과는 퍼텐셜 에너지로 매개변수화될 수 있다.
여기서 는 퍼텐셜 에너지의 세기이고, 는 적용된 정상파의 펄스 모양을 나타낸다. 예를 들어, 광학 격자에 갇힌 극저온 원자의 경우, AC 슈타르크 효과로 인해 이다.
이전에 설명했듯이, 라만-나트 체제는 지속 시간이 짧을 때 도달한다. 이 경우, 운동 에너지는 무시될 수 있으며 결과적인 슈뢰딩거 방정식은 크게 단순화된다. 주어진 초기 상태 에 대해, 라만-나트 체제 내에서의 시간 진화는 다음과 같다.
여기서 이고 적분은 상호작용의 지속 시간에 걸쳐 이루어진다. 야코비-앙거 전개를 일종의 베셀 함수에 적용하면, 가 되며, 위 파동 함수는 다음과 같이 된다.
두 번째 줄에서 는 로 취해졌다. 이제  운동량 상태가  확률로 채워지는 것을 볼 수 있으며, 여기서 이고 펄스 면적(상호작용의 지속 시간 및 진폭) 이다.
따라서 회절된 입자의 횡방향 RMS 운동량은 펄스 면적에 선형적으로 비례한다.
카피차-디랙 효과 구현
1960년 레이저의 발명으로 코히어런트한 빛의 생산이 가능해졌고, 이에 따라 효과를 실험적으로 관찰하는 데 필요한 빛의 정상파를 구성할 수 있게 되었다.
나트륨 원자의 카피차-디랙 산란은 1985년 매사추세츠 공과대학교 D. E. 프리차드 그룹에 의해 거의 공진하는 정상파 레이저 장에 의해 실험적으로 시연되었다. 반동 미만 횡방향 운동량을 가진 초음속 원자빔이 거의 공진하는 정상파를 통과했고, 최대 10ħk의 회절이 관찰되었다.
강력한 광학 정상파에 의한 전자의 산란은 1988년 뉴저지 AT&T 벨 연구소의 M. 바슈칸스키 그룹에 의해 실험적으로 구현되었다.
카피차-디랙 효과는 광학 격자의 깊이를 교정하는 데 일상적으로 사용된다.
커켄달 효과
커켄달 효과(Kirkendall effect)는 금속 원자의 확산 속도 차이로 인해 발생하는 두 금속 간 계면의 움직임이다. 이 효과는 예를 들어, 순수 금속과 해당 금속을 포함하는 합금 사이의 계면에 불용성 마커를 배치하고 주어진 시간 척도에 대해 원자 확산이 합리적인 온도로 가열함으로써 관찰될 수 있다. 이 경우 경계는 마커에 대해 이동하게 된다.
이 과정은 1941년부터 1946년까지 웨인 주립 대학교의 화학공학 조교수였던 어니스트 커켄달 (1914–2005)의 이름을 따서 명명되었다. 이 효과의 발견을 기술한 논문은 1947년에 출판되었다.
커켄달 효과는 중요한 실제적 결과를 가져온다. 이 중 하나는 다양한 종류의 합금-금속 접합에서 경계 계면에 형성되는 보이드(공극)를 방지하거나 억제하는 것이다. 이를 커켄달 보이드(Kirkendall voids)라고 부른다.
커켄달 효과 역사
커켄달 효과는 어니스트 커켄달과 앨리스 스미겔스카스가 1947년 커켄달의 황동 확산에 대한 지속적인 연구 과정에서 발견했다. 그가 유명한 효과를 발견한 논문은 황동 확산에 대한 그의 논문 시리즈 중 세 번째였으며, 첫 번째는 그의 학위 논문이었다. 그의 두 번째 논문은 알파 황동에서 아연이 구리보다 더 빨리 확산된다는 것을 밝혔고, 이는 그의 혁명적인 이론을 도출하는 연구로 이어졌다. 이때까지 확산 운동에 대한 지배적인 아이디어는 치환 및 링 방법이었다. 커켄달의 실험은 오늘날까지 받아들여지는 빈자리 확산 메커니즘의 증거를 제시했다. 제출 당시, 이 논문과 커켄달의 아이디어는 카네기 멜런 대학교 (당시 카네기 공과대학교의 금속 연구소장이었던 로버트 프랭클린 멜에게 출판이 거부되었다. 멜은 이 새로운 확산 메커니즘에 대한 커켄달의 증거를 받아들이기를 거부했고 6개월 이상 출판을 거부했으며, 회의가 열리고 다른 여러 연구자들이 커켄달의 결과를 확인한 후에야 양보했다.
커켄달 효과 역사
황동 (구리 70%, 아연 30%) 막대가 코어로 사용되었고, 그 길이 방향으로 몰리브데넘 와이어가 늘어져 있었으며, 그 위에 순수 구리 층이 코팅되었다. 몰리브데넘은 황동에 매우 불용성이어서 마커 자체의 확산으로 인한 오류를 제거할 수 있었기 때문에 마커 재료로 선택되었다. 확산은 785°C에서 56일 동안 진행되었으며, 실험 기간 동안 6회에 걸쳐 단면이 채취되었다. 시간이 지남에 따라 아연이 황동에서 구리로 확산되면서 와이어 마커들이 서로 가까워지는 것이 관찰되었다. 다른 시점의 단면에서 계면 위치의 차이가 눈에 띄었다. 확산으로 인한 재료의 조성 변화는 엑스선 회절을 통해 확인되었다.
커켄달 효과 확산 메커니즘
초기 확산 모델은 치환형 합금에서 원자 이동이 직접 교환 메커니즘을 통해 발생한다고 가정했다. 이 메커니즘에서 원자는 인접한 격자 자리의 원자와 위치를 바꾸면서 이동한다. 이러한 메커니즘은 두 가지 다른 재료의 원자 선속이 계면을 가로질러 동일해야 함을 의미한다. 왜냐하면 계면을 가로지르는 각 원자는 다른 방향으로 다른 원자가 이동하게 만들기 때문이다.
또 다른 가능한 확산 메커니즘은 격자 빈자리를 포함한다. 원자는 빈 격자 자리로 이동하여 원자와 빈자리가 효과적으로 위치를 바꾸게 할 수 있다. 만약 재료에서 대규모 확산이 일어난다면, 한 방향으로 원자 선속이 있고 다른 방향으로 빈자리 선속이 있을 것이다.
커켄달 효과 확산 메커니즘
커켄달 효과는 두 개의 다른 재료가 서로 옆에 놓이고 그들 사이에서 확산이 일어나도록 허용될 때 발생한다. 일반적으로 두 재료의 서로 다른 확산 계수는 같지 않다. 이것은 확산이 빈자리 메커니즘에 의해 일어날 때만 가능하다. 만약 원자가 교환 메커니즘에 의해 확산된다면, 그들은 쌍으로 계면을 가로지를 것이므로 확산 속도는 동일할 것이며, 이는 관찰과 모순된다. 피크의 제1 확산 법칙에 따르면, 확산 계수가 높은 재료에서 나오는 원자 선속이 더 클 것이므로, 확산 계수가 높은 재료에서 확산 계수가 낮은 재료로 순수한 원자 선속이 발생할 것이다. 이 원자 선속의 균형을 맞추기 위해 반대 방향으로 빈자리 선속이 있을 것이다. 즉, 확산 계수가 낮은 재료에서 확산 계수가 높은 재료로 빈자리가 이동하여, 낮은 확산 상수를 가진 재료 방향으로 환경에 대한 격자의 전체적인 변환이 일어난다.
커켄달 효과 확산 메커니즘
커켄달 효과에 대한 거시적 증거는 두 재료 사이의 초기 계면에 불활성 마커를 배치함으로써 수집될 수 있다. 예를 들어, 구리와 황동 사이의 계면에 몰리브데넘 마커를 사용하는 경우이다. 이 경우 아연의 확산 계수가 구리의 확산 계수보다 높다. 아연 원자가 구리 원자가 들어오는 속도보다 더 높은 속도로 황동을 떠나기 때문에, 확산이 진행됨에 따라 황동 영역의 크기가 감소한다. 몰리브데넘 마커에 대해 구리-황동 계면은 실험적으로 측정 가능한 속도로 황동 쪽으로 이동한다.
커켄달의 논문이 발표된 직후, L. S. 다르켄은 스미겔스카스와 커켄달이 연구한 것과 유사한 이진계에서의 확산에 대한 분석을 발표했다. 다르켄은 재료의 실제 확산 선속을 마커에 대한 계면의 움직임과 분리하여 마커 속도 를 다음과 같이 구했다.

여기서 과 는 두 재료의 확산 계수이고, 은 원자 분율이다.
이 방정식의 한 가지 결과는 계면의 움직임이 시간의 제곱근에 비례하여 선형적으로 변한다는 것인데, 이는 스미겔스카스와 커켄달이 발견한 실험적 관계와 정확히 일치한다.
다르켄은 또한 두 계면 재료의 확산 계수 측면에서 결합된 화학적 확산 계수 를 정의하는 두 번째 방정식을 개발했다.

이 화학적 확산 계수는 볼츠만-마타노 방법을 통해 커켄달 효과 확산을 수학적으로 분석하는 데 사용될 수 있다.
커켄달 효과 커켄달 공극
커켄달의 연구에서 파생된 중요한 고려 사항 중 하나는 확산 중에 형성되는 공극의 존재이다. 이러한 공극은 빈자리의 흡수원 역할을 하며, 충분히 축적되면 상당한 크기가 되어 평형을 회복하기 위해 팽창할 수 있다. 공극은 두 종의 확산 속도 차이로 인해 발생한다.
금속의 공극은 기계적, 열적, 전기적 특성에 영향을 미치므로, 그 형성을 제어하는 것이 종종 바람직하다. 다음 방정식은

여기서 는 마커가 이동한 거리, 는 재료의 고유 확산성으로 결정되는 계수, 는 구성 요소 간의 농도 차이이며, 커켄달 공극을 완화하는 효과적인 모델임이 입증되었다. 어닐링 온도를 제어하는 것은 공극을 줄이거나 제거하는 또 다른 방법이다. 커켄달 공극은 일반적으로 시스템에서 설정된 온도에서 발생하므로, 어닐링은 공극 형성을 피하기 위해 더 낮은 온도에서 더 긴 시간 동안 수행될 수 있다.
커켄달 효과 예시
1972년 RCA 코퍼레이션의 C. W. 호스팅은 금 도금된 포스트에 초음파 용접으로 접합된 알루미늄 와이어를 사용하여 연결된 반도체 소자의 신뢰성에 대한 시험 결과를 보고한 논문을 발표했다. 그의 논문은 와이어 본딩 기술에서 커켄달 효과의 중요성을 보여주었을 뿐만 아니라, 와이어 본드에서 침전이 발생하는 속도에 존재하는 불순물의 상당한 기여도를 보여주었다. 호스팅 효과 (호스팅 보이드)로 알려진 이러한 효과를 일으키는 두 가지 중요한 오염 물질은 플루오린과 염소 (원소)이다. 커켄달 보이드와 호스팅 보이드 모두 와이어 본드 파손의 원인으로 알려져 있지만, 역사적으로 이 원인은 다섯 가지 다른 금-알루미늄 금속간화합물 중 하나인 "퍼플 플래그" 또는 드물게 "화이트 플래그"라고 불리는 보라색 외관과 혼동되는 경우가 많다.
클라인-니시나 공식
입자물리학에서 클라인-니시나 공식(Klein–Nishina formula)은 양자 전기역학의 최저 차수에서 계산된, 단일 자유 전자로부터 산란된 광자의 미분 단면적(즉, "가능성" 및 각 분포)을 제공한다. 이 공식은 1928년 오스카르 클레인과 니시나 요시오에 의해 처음 유도되었으며, 디랙 방정식의 최초 성공적인 적용 중 하나를 구성한다. 이 공식은 저에너지 광자(예: 가시광선)의 톰슨 산란과 고에너지 광자(예: 엑스선 및 감마선)의 콤프턴 산란을 모두 설명하며, 총 단면적과 예상 편향각이 광자 에너지 증가에 따라 감소함을 보여준다.
양자장론에서는 이 공식이 클라인-니시나-탐 공식으로 알려져 있으며, 이고리 탐의 이름이 추가되었다. 그는 장의 양자화를 통해 이 공식을 유도했다.
클라인-니시나 공식 공식
입사하는 비편광 광자의 에너지 에 대한 미분 단면적은 다음과 같다.
여기서
각도에 의존하는 광자 파장 (또는 에너지, 또는 주파수) 비율은 다음과 같다.
이는 상대론적 에너지 및 운동량 보존(콤프턴 산란 참조)에 의해 요구된다. 무차원량 는 전자의 정지 에너지(~511 전자볼트)로 입사 광자의 에너지를 나타내며, 로도 표현될 수 있는데, 여기서 는 전자의 콤프턴 파장 (~2.42 pm)이다. 산란 비율 는 편향각에 따라 (전방 산란, 에너지 전달 없음)에서 (180도 후방 산란, 최대 에너지 전달)까지 단조 증가한다.
일부 경우에는 고전전자반지름을 콤프턴 파장으로 표현하는 것이 편리하다: , 여기서 는 미세구조 상수 (~1/137)이고 는 전자의 환산 콤프턴 파장 (~0.386 pm)이므로, 단면적의 상수는 다음과 같이 주어진다:
클라인-니시나 공식 편광된 광자
입사하는 광자가 편광되어 있으면 산란된 광자는 방위각에 대해 더 이상 등방성이 아니다. 정지 상태의 자유 전자에 의해 산란된 선형 편광 광자의 경우 미분 단면적은 대신 다음으로 주어진다.
여기서 는 방위 산란각이다. 비편광 미분 단면적은 에 대해 평균을 취하여 얻을 수 있음에 유의하라.
클라인-니시나 공식 한계
저에너지 광자의 경우 파장 변화는 무시할 수 있으며 (), 클라인-니시나 공식은 고전적인 톰슨 표현으로 축소된다.
이는 산란각에 대해 대칭적이며, 즉 광자는 전방과 후방으로 산란될 가능성이 동일하다. 에너지가 증가하면 이 대칭성은 깨지고 광자는 전방 방향으로 산란될 가능성이 더 높아진다.
고에너지 광자의 경우 작은 각도 산란과 큰 각도 산란을 구별하는 것이 유용하다. 인 큰 각도의 경우, 산란 비율 이 크고
이는 (큰 각도) 미분 단면적이 광자 에너지에 반비례함을 보여준다.
미분 단면적은 전방 방향에서 일정한 최고값을 가진다.
이는 에 독립적이다. 큰 각도 분석에서 이 최고값은 약 까지만 확장될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 전방 최고값은 약 의 작은 입체각에 한정되며, 총 작은 각도 단면적은 에 따라 감소한다고 결론 내릴 수 있다.
클라인-니시나 공식 총 단면적
미분 단면적을 적분하여 총 단면적을 구할 수 있다.
저에너지 한계에서는 에너지 의존성이 없으며, 우리는 톰슨 단면적 (~66.5 fm2)을 회복한다.
클라인-니시나 공식 역사
클라인-니시나 공식은 1928년 오스카르 클레인과 니시나 요시오에 의해 유도되었으며, 양자 전기역학 연구에서 얻어진 최초의 결과 중 하나였다. 상대론적 및 양자 역학적 효과를 고려함으로써 표적 전자로부터의 복사 산란에 대한 정확한 방정식을 개발할 수 있었다. 이 유도 이전에 전자의 단면적은 영국의 물리학자이자 전자의 발견자인 J.J. 톰슨에 의해 고전적으로 유도되었다. 그러나 산란 실험은 톰슨 단면적에 의해 예측된 결과와 상당한 편차를 보였다. 추가 산란 실험은 클라인-니시나 공식의 예측과 완벽하게 일치했다.
1930년, 이바르 발레르와 이고리 탐은 콤프턴 산란의 장 양자화에 대한 연구를 독립적으로 발표하고 클라인-니시나 공식을 재현했다.
클라인-니시나 공식 추가 자료
Klein, O.; Nishina, Y. (1994). 〈On the Scattering of Radiation by Free Electrons According to Dirac's New Relativistic Quantum Dynamics〉.   Ekspong, Gösta (편집). 《The Oskar Klein Memorial Lectures, Vol. 2: Lectures by Hans A. Bethe and Alan H. Guth with Translated Reprints by Oskar Klein》. Singapore: World Scientific. 113–139쪽. Bibcode:1994okml.book.....E.
고자이 메커니즘
천체역학에서 고자이 메커니즘(Kozai mechanism)은 특정 조건에서 멀리 떨어진 세 번째 천체의 섭동을 받는 연성계의 궤도에 영향을 미치는 동역학적 현상이다. 효과, 진동, 주기 또는 공명으로 지칭될 수 있다. 이 효과는 궤도의 근점 편각이 일정한 값 주위를 진동하게 하는데, 이는 다시 궤도 이심률과 궤도 경사 사이의 주기적인 교환을 초래한다. 이 과정은 궤도 주기보다 훨씬 긴 시간 척도에서 발생한다. 이는 초기에는 거의 원형인 궤도를 임의로 높은 이심률로 만들 수 있으며, 초기에는 중간 정도의 경사를 가진 궤도를 순행 운동과 역행 운동 사이에서 뒤집을 수 있다.
고자이 메커니즘
이 효과는 행성의 불규칙 위성, 해왕성 바깥 천체, 외계 행성, 다중성계의 궤도를 형성하는 중요한 요인으로 밝혀졌다.(p. v) 이는 가설적으로 블랙홀 합체를 촉진한다. 1961년 미하일 리도프는 행성의 인공위성과 자연 위성의 궤도를 분석하면서 이를 기술했다. 1962년 고자이 요시히데는 목성의 섭동을 받는 소행성의 궤도에 적용하여 이 동일한 결과를 발표했다. 고자이와 리도프의 논문 인용은 21세기에 급격히 증가했다. 2017년 기준, 이 메커니즘은 가장 많이 연구되는 천체물리학적 현상 중 하나이다.(p. vi) 2019년 이토 타카시와 오츠카 카츠히토는 스웨덴의 천문학자 에드바르트 위고 폰 차이펠 또한 1909년에 이 메커니즘을 연구했으며, 그의 이름이 때때로 추가되고 있다고 지적했다.
고자이 메커니즘 배경
해밀턴 역학에서 물리적 시스템은 위상 공간의 정준좌표에 대한 해밀토니언이라는 함수 로 지정된다. 정준좌표는 시스템 내 N개 물체(는 폰 차이펠-고자이-리도프 효과의 경우)에 대해 배치 공간의 일반화 좌표 와 이들의 켤레 운동량 로 구성된다. 주어진 시스템을 기술하는 데 필요한  쌍의 수는 자유도의 수이다.
좌표 쌍은 일반적으로 특정 문제를 푸는 데 관련된 계산을 단순화하는 방식으로 선택된다. 한 세트의 정준좌표는 정준변환에 의해 다른 세트로 변경될 수 있다. 시스템의 운동 방정식은 해밀턴의 정준 방정식을 통해 해밀토니언으로부터 얻어지며, 이는 좌표의 시간 미분을 켤레 운동량에 대한 해밀토니언의 편미분과 관련시킨다.
고자이 메커니즘 배경
세 천체가 상호 중력 인력 하에 작용하는 시스템의 역학은 혼돈적이다. 즉, 장기간에 걸친 그 거동은 초기 조건의 미세한 변화에도 엄청나게 민감하다. 이는 해당 조건의 불확실성, 이를 결정하는 과정, 그리고 컴퓨터 연산에서 반올림으로 인해 손실되는 것을 방지하는 데 있어 계산이 빠르게 악화될 수 있음을 의미한다. 실질적인 결과는 삼체 문제가 특수한 경우를 제외하고는 무한한 시간 동안 해석적으로 해결될 수 없다는 것이다.(p. 221) 대신, 사용 가능한 정밀도에 의해 제한된 예측 시간에 대해 수치해석이 사용된다.(pp. 2,10)
리도프-고자이 메커니즘은 계층적 삼체계의 특징이다.(p. 86) 즉, "섭동체"라고 불리는 하나의 천체가 다른 두 천체로부터 멀리 떨어져 있는 시스템이며, 이 두 천체는 내부 이중성을 구성한다고 한다. 섭동체와 내부 이중성의 질량 중심은 외부 이중성을 구성한다.(§I) 이러한 시스템은 섭동 이론 방법을 사용하여 계층적 삼체 시스템의 해밀토니언을 내부 이중성과 외부 이중성의 고립된 진화에 대한 두 항의 합으로, 그리고 두 궤도를 결합하는 세 번째 항으로 작성하여 연구되는 경우가 많다.
고자이 메커니즘 배경
이후 결합 항은 매개변수 의 차수로 전개되는데, 이 매개변수는 내부 이중성과 외부 이중성의 반장축의 비율로 정의되므로 계층적 시스템에서는 작은 값이다. 섭동 계열이 빠르게 수렴하므로, 계층적 삼체 시스템의 질적 거동은 전개의 초기 항들, 즉 사극자(), 팔극자(), 그리고 육십사극자() 차수 항들에 의해 결정된다.(pp. 4–5)
많은 시스템에서, 섭동 전개의 가장 낮은 차수인 사극자 차수에서 이미 만족스러운 설명이 발견된다. 팔극자 항은 특정 영역에서 지배적이 되며 리도프-고자이 진동 진폭의 장기적 변화를 담당한다.
리도프-고자이 메커니즘은 영년 효과이며, 즉 내부 및 외부 이중성의 궤도 주기에 비해 훨씬 긴 시간 척도에서 발생한다. 문제를 단순화하고 계산적으로 더 다루기 쉽게 만들기 위해 계층적 삼체 해밀토니언은 영년화될 수 있으며, 즉 두 궤도의 빠르게 변하는 평균 이심률에 대해 평균화된다. 이 과정을 통해 문제는 두 개의 상호 작용하는 질량 있는 와이어 루프 문제로 환원된다.(p. 4)
고자이 메커니즘 메커니즘 개요
폰 차이펠-리도프-고자이 메커니즘에 대한 가장 간단한 설명은 내부 이중성 구성 요소 중 하나인 보조체가 시험입자라고 가정한다. 시험입자란 다른 두 천체(주성체와 멀리 떨어진 섭동체)에 비해 질량이 무시할 수 있는 이상적인 점 질량 객체이다. 이러한 가정은 예를 들어, 달에 의해 섭동되는 지구 저궤도의 인공위성이나 목성에 의해 섭동되는 단주기 혜성의 경우에 유효하다.
이러한 근사치 하에서 보조체의 궤도 평균 운동 방정식은 보존량을 갖는다. 즉, 주성체/섭동체 궤도의 각운동량과 평행한 보조체의 궤도 각운동량 성분이다. 이 보존량은 외부 이중성의 평면에 대한 보조체의 궤도 이심률 와 궤도 경사 로 표현될 수 있다.
z의 보존은 궤도 이심률이 경사로 "교환"될 수 있음을 의미한다. 따라서 거의 원형이고 고경사 궤도는 매우 이심적일 수 있다. 긴반지름을 일정하게 유지하면서 이심률을 증가시키면 근점에서의 객체 간 거리가 감소하므로, 이 메커니즘은 혜성(목성에 의해 섭동되는)이 태양 스쳐 지나가는 혜성이 되도록 할 수 있다.
리도프-고자이 진동은 z가 특정 값보다 낮을 경우 나타난다. z의 임계값에서 "고정점" 궤도가 나타나며, 일정한 경사도는 다음과 같다.
고자이 메커니즘 메커니즘 개요
이 임계값보다 작은 z 값에 대해, 동일한 z를 가지지만  또는 에서 다른 양의 변화를 갖는 궤도 해의 1-매개변수족이 존재한다. 놀랍게도, 에서 가능한 변화의 정도는 관련된 질량과 무관하며, 질량은 진동의 시간 척도만 설정한다.
고자이 진동과 관련된 기본 시간 척도는 다음과 같다.(p. 575)
여기서 는 긴반지름을 나타내고, 는 궤도 주기를, 는 이심률을, 는 질량을 나타낸다. 첨자 "2"가 붙은 변수는 외부(섭동체) 궤도를 나타내고, 첨자가 없는 변수는 내부 궤도를 나타낸다. 은 주성체의 질량이다. 예를 들어, 달의 주기 27.3일, 이심률 0.055, GPS 위성의 주기 반(항성)일의 경우 고자이 시간 척도는 4년이 조금 넘는다. 정지 궤도의 경우 2배 짧다.
세 변수(e, i, ω – 마지막은 근점 편각)의 진동 주기는 동일하지만, 궤도가 고정점 궤도에서 얼마나 "멀리" 떨어져 있는지에 따라 달라지며, 칭동하는 궤도와 진동하는 궤도를 분리하는 분리선 궤도의 경우 매우 길어진다.
고자이 메커니즘 천체 물리학적 영향
폰 차이펠-리도프-고자이 메커니즘은 근점 편각 (ω)이 90° 또는 270° 주위를 칭동하게 하는데, 이는 천체가 적도면에서 가장 멀리 떨어져 있을 때 근점이 발생한다는 의미이다. 이 효과는 명왕성이 해왕성과의 근접 조우로부터 역학적으로 보호되는 이유의 일부이다.
리도프-고자이 메커니즘은 시스템 내에서 가능한 궤도에 제한을 가한다. 예를 들어:
규칙 위성의 경우
행성의 위성 궤도가 행성 궤도에 대해 높은 경사도를 가지면, 위성 궤도의 이심률이 증가하여 가장 가까운 접근 시점에서 위성은 조석력에 의해 파괴된다.
불규칙 위성의 경우
증가하는 이심률은 규칙 위성, 행성과의 충돌을 초래하거나, 또는 증가하는 원점 거리가 위성을 힐 권 밖으로 밀어낼 수 있다. 최근 힐-안정성 반경은 위성 경사도의 함수로 발견되었으며, 불규칙 위성 경사도의 비균일 분포도 설명한다.
이 메커니즘은 해왕성 궤도 훨씬 너머에서 태양을 공전하는 가상의 행성인 제9행성을 찾는 데 활용되었다.
목성의 카르포와 에우포리에, 토성의 키비우크와 이지라크,(p. 100) 천왕성의 마가렛, 해왕성의 사오와 네소를 포함한 여러 위성이 해당 행성과의 리도프-고자이 공명 상태에 있는 것으로 밝혀졌다.
고자이 메커니즘 천체 물리학적 영향
일부 자료는 소련 우주 탐사선 루나 3호를 리도프-고자이 진동을 겪은 최초의 인공위성 사례로 지목한다. 1959년 높은 경사도의 편심 지심 궤도로 발사된 이 탐사선은 달의 뒷면을 촬영한 최초의 임무였다. 11바퀴를 돈 후 지구 대기권에서 불타버렸다.(pp. 9–10) 그러나 Gkolias 외 (2016)에 따르면, 리도프-고자이 진동이 지구의 편평도 효과에 의해 저지되었을 것이므로, 탐사선 궤도의 쇠퇴를 유도한 것은 다른 메커니즘이어야 한다고 한다.
폰 차이펠-리도프-고자이 메커니즘은 조석 마찰과 결합하여, 항성을 꽉 조이는 궤도에서 항성을 공전하는 거대 기체 행성 외계 행성인 뜨거운 목성을 생성할 수 있다. HD 80606/80607 시스템에서 HD 80606 b 행성의 높은 이심률은 고자이 메커니즘 때문일 가능성이 높다. KELT-19 Ab는 행성의 궤도 축과 항성 자전 축 사이의 원시적 불일치로 인해 궤도가 뒤집힌 고자이 메커니즘의 증거를 가질 가능성이 있다.
이 메커니즘은 밀집된 성단에서 중심 블랙홀의 성장에 영향을 미치는 것으로 생각된다. 또한 특정 종류의 쌍성 블랙홀의 진화를 유도하며 블랙홀 합체를 가능하게 하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.
고자이 메커니즘 역사와 발전
이 효과는 1909년 스웨덴 천문학자 위고 폰 차이펠이 《Astronomische Nachrichten》에 발표한 주기 혜성의 운동에 관한 연구에서 처음 기술되었다. 1961년, 소련 우주 과학자 미하일 리도프는 행성의 인공위성과 자연 위성 궤도를 분석하는 동안 이 효과를 발견했다. 원래 러시아어로 출판된 이 결과는 1962년 영어로 번역되었다.(p. 88)
리도프는 1961년 11월 20~25일 모스크바에서 열린 이론 천문학 일반 및 응용 문제 회의에서 인공위성 궤도에 대한 자신의 연구를 처음 발표했다. 그의 논문은 1961년 러시아어 저널에 처음 게재되었다. 일본 천문학자 고자이 요시히데는 1961년 회의 참가자 중 한 명이었다. 고자이는 1962년 널리 읽히는 영어 저널에 동일한 결과를 발표했으며, 목성에 의해 섭동되는 소행성의 궤도를 분석하는 데 이 결과를 사용했다. 리도프가 가장 먼저 발표했으므로, 많은 저자들이 리도프-고자이 메커니즘이라는 용어를 사용한다. 그러나 다른 이들은 이를 고자이-리도프 또는 단순히 고자이 메커니즘이라고 부르기도 한다.
호수 효과
아래는 호수 효과 또는 레이크 이펙트(lake-effect)에 대한 설명이다.
호수 효과 눈(lake-effect snow)은 차가운 기단이 따뜻한 호수 물의 긴 구간을 가로질러 이동할 때 더 시원한 대기 조건에서 발생한다. 호수 물에 의해 가열된 공기 아래층은 호수에서 수증기를 흡수하여 더 차가운 공기를 통해 상승한다. 그런 다음 수증기는 얼어붙어 바람받이 (바람이 불어오는) 해안에 퇴적된다.
같은 효과는 소금물에서도 발생하며, 이 경우 해양 효과 또는 만 효과 눈이라고 불린다. 이 효과는 이동하는 기단이 바람이 불어오는 해안의 높은 지형의 지형적 영향으로 상승할 때 강화된다. 이러한 상승은 좁지만 매우 강한 강수대를 생성하여 시간당 수 인치씩 눈이 내리게 하여 종종 많은 양의 총 눈이 내리게 한다.
호수 효과 및 유사한 "해양 효과" 현상의 영향을 받는 지역을 스노벨트라고 한다. 여기에는 북미 오대호 동부 지역, 일본 북부의 서해안, 러시아 바이칼호, 그리고 그레이트솔트호, 흑해, 카스피해, 발트해, 아드리아해, 북해 등의 지역이 포함된다.
호수 효과
호수 효과 블리자드(lake-effect blizzards)는 호수 효과 눈으로 인해 발생하는 블리자드와 같은 조건이다. 특정 조건에서 강한 바람이 호수 효과 눈과 동반되어 블리자드와 같은 조건을 만들 수 있지만, 사건의 지속 시간은 미국과 캐나다 모두에서 블리자드 경보에 필요한 시간보다 약간 짧은 경우가 많다.
공기 온도가 강수를 얼어붙게 할 만큼 충분히 낮으면 호수 효과 눈으로 내린다. 그렇지 않으면 호수 효과 비로 내린다. 호수 효과 비 또는 눈이 형성되려면 호수를 가로지르는 공기가 지표 공기보다 훨씬 시원해야 한다 (지표 공기는 물 표면 온도에 가까울 가능성이 높다). 구체적으로, 기압이 850 밀리바 (85 kPa) (수직으로 약 1.5 킬로미터 or 5,000 피트)인 고도의 공기 온도는 지표면 공기 온도보다 13 °C (23 °F) 낮아야 한다. 850 밀리바 (85 kPa)의 공기가 물 표면보다 훨씬 차가울 때 발생하는 호수 효과는 뇌설, 번개와 천둥을 동반하는 눈 소나기 (불안정 증가로 인해 더 많은 에너지를 사용할 수 있기 때문에 발생), 그리고 매우 드물게는 토네이도를 발생시킬 수 있다.
호수 효과 형성
호수 효과 강수를 형성하고 그 특성을 결정하는 몇 가지 주요 요소가 필요하다: 불안정성, 페치, 풍속 전단, 상류 수분, 상류 호수, 종관 (대규모) 강제, 지형/고도, 그리고 눈 또는 얼음 덮개.
호수 온도와 대기 중 고도 (기압이 850 mbar or 85 kPa으로 측정되는 약 1,500 m or 5,000 ft) 사이의 약 13 °C (23 °F)의 온도차는 절대 불안정성을 제공하고 강력한 열 및 수분 수송을 수직으로 허용한다. 대기 기온 감률과 대류 깊이는 중규모 호수 환경과 종관 환경 모두에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 가파른 기온 감률과 적절한 수분 수준을 가진 더 깊은 대류 깊이는 더 두껍고 높은 호수 효과 강수 구름을 허용하며 자연스럽게 훨씬 더 큰 강수율을 유도한다.
호수 효과 형성
기단이 수역 위를 이동하는 거리를 페치라고 한다. 대부분의 호수는 모양이 불규칙하여 다른 각도의 이동은 다른 거리를 초래한다. 일반적으로 호수 효과 강수를 생성하려면 최소 100 km (60 mi)의 페치가 필요하다. 일반적으로 페치가 클수록 더 많은 강수가 생성된다. 더 큰 페치는 경계층에 수증기로 포화될 시간을 더 많이 제공하고 열 에너지가 물에서 공기로 이동할 시간을 더 많이 제공한다. 기단이 호수 반대편에 도달하면 상승하고 냉각되는 수증기의 엔진이 응결 형태로 퍼져 눈으로 내리는데, 보통 호수에서 40 km (25 mi) 이내이지만 때로는 약 150 km (100 mi)까지도 이른다.
호수 효과 형성
방향성 전단은 돌풍 발달을 좌우하는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 방향성 전단이 약한 환경은 일반적으로 전단 수준이 높은 환경보다 더 강한 돌풍을 생성한다. 지표와 기압이 700 mb (70 kPa)으로 측정되는 대기 고도 사이의 방향성 전단이 60°보다 크면 눈발 외에는 아무것도 예상할 수 없다. 수역과 기압이 700 mb (70 kPa)으로 측정되는 수직 고도 사이의 방향성 전단이 30°에서 60° 사이이면 약한 호수 효과 밴드가 가능하다. 전단이 30° 미만인 환경에서는 강하고 잘 조직된 밴드가 예상될 수 있다.
속도 전단은 덜 중요하지만 비교적 균일해야 한다. 밴드의 상부가 전단되는 것을 방지하기 위해 지표와 기압이 700 mb (70 kPa)으로 측정되는 수직 고도 사이의 풍속 차이는 40 노트 (74 km/h)를 초과해서는 안 된다. 그러나 지표에서 700 mb (70 kPa)까지의 바람이 균일하다고 가정하면, 더 빠른 전체 속도는 물에서 수분을 더 빠르게 운반하는 데 작용하며, 밴드는 훨씬 더 내륙으로 이동한다.
호수 효과 형성
상류 상대 습도가 낮으면 호수 효과 응결, 구름 및 강수가 형성되기 더 어렵다. 상류 수분의 상대 습도가 높으면 그 반대가 되어 호수 효과 응결, 구름 및 강수가 더 쉽게, 더 많이 형성된다.
상풍에 있는 모든 큰 수역은 수분을 추가하거나 기존의 호수 효과 밴드를 통해 하풍에 있는 호수의 호수 효과 강수에 영향을 미치며, 이는 하풍 호수 위에서 다시 강화될 수 있다. 상풍 호수가 항상 하풍 강수량 증가로 이어지는 것은 아니다.
상층의 와도 이류와 대규모 상승은 혼합 및 대류 깊이를 증가시키는 반면, 한기 이류는 온도를 낮추고 불안정성을 증가시킨다.
일반적으로 호수 효과 강수는 호수 하류의 고도와 함께 증가하는데, 이는 지형적 강제가 강수를 짜내고 돌풍을 훨씬 더 빨리 건조시키기 때문이다.
호수가 점차 얼어붙으면서 호수 효과 강수를 생성하는 능력은 두 가지 이유로 감소한다. 첫째, 호수의 얼음이 없는 액체 표면적이 줄어든다. 이는 페치 거리를 줄인다. 둘째, 수온이 영하에 가까워져 돌풍을 생성하는 데 사용할 수 있는 전체 잠열 에너지가 감소한다. 호수 효과 강수 생성을 끝내기 위해 완전한 결빙이 항상 필요한 것은 아니다.
강수가 발생하지 않을 때도 차가운 공기가 따뜻한 물 위를 지나가면서 구름을 생성할 수 있다. 앨버타 클리퍼라고 알려진 빠르게 움직이는 중위도 사이클론은 종종 오대호를 가로지른다. 한랭 전선이 통과한 후 바람은 북서쪽으로 바뀌는 경향이 있으며, 자주 나타나는 패턴은 캐나다 해양주 위에서 장기간 지속되는 저기압이 형성되어 북대서양 진동 (NAO)의 음의 위상과 일반적으로 관련되어 북서풍을 오대호 위로 일주일 이상 끌어올릴 수 있다는 것이다. 겨울의 대부분 동안 지배적인 겨울 바람이 물보다 차가운 경향이 있기 때문에 호수의 남동쪽 해안은 거의 끊임없이 흐려져 겨울의 동의어로 "그레이트 그레이 펑크"라는 용어가 사용된다. 이 지역에는 빛 부족으로 인해 발생하는 것으로 여겨지는 일종의 심리적 우울증인 계절성 정동 장애를 높은 비율로 겪는 인구가 있는 것으로 알려져 있다.
호수 효과 사례
겨울철에 오대호 지역에서는 북서풍이 주로 불어와 오대호의 남부 및 동부 해안에 가장 극적인 호수 효과 눈을 발생시킨다. 이 호수 효과로 인해 오대호의 북부 및 서부 해안에 비해 남부 및 동부 해안에 훨씬 더 많은 눈이 내린다.
가장 영향을 받는 지역은 미시간 어퍼반도; 뉴욕 북부와 뉴욕 중부; 특히 터그 힐 지역, 뉴욕 서부; 펜실베이니아 북서부; 오하이오 북동부; 온타리오주 남서부 및 온타리오주 중부; 일리노이주 북동부 (미시간호 해안선을 따라); 인디애나주 북서부 및 북중부 (주로 게리와 엘카트 사이); 위스콘신주 북부 (슈피리어호 근처); 그리고 미시간 서부이다.
터그 힐 고원 (온타리오호 동쪽)의 호수 효과 눈은 종종 미국 일일 적설량 기록을 세울 수 있다. 터그 힐은 일반적으로 매년 겨울 20 피트 (240 in; 610 cm) 이상의 눈이 내린다. 터그 힐의 가장 눈이 많이 오는 지역인 몬태규, 오세올라, 레드필드, 워스 마을의 접점 근처는 연평균 300 인치 (760 cm) 이상의 눈이 내린다.
호수 효과 사례
2007년 2월 3일부터 12일까지 터그 힐 고원의 노스 레드필드에는 호수 효과 눈으로 10일 동안 141 인치 (358 cm)의 눈이 내렸다. 터그 힐의 다른 주요 장기 호수 효과 눈폭풍 사례로는 2001년 12월 27일부터 2002년 1월 1일까지 몬태규에 6일 동안 127 인치 (320 cm)의 눈이 내린 것, 1997년 1월 10일부터 14일까지 노스 레드필드에 5일 동안 110.5 인치 (281 cm)의 눈이 내린 것, 1940년 1월 15일부터 22일까지 반스 코너스에 8일 동안 8피트 이상의 눈이 내린 것이 있다.
터그 힐 고원 바로 남쪽에 위치한 시러큐스 (뉴욕주)는 온타리오호로부터 상당한 호수 효과 눈을 받으며, 연평균 115.6 인치 (294 cm)의 눈이 내리는데, 이는 미국에서 "가장 눈이 많이 오는" 대도시 중 하나로 간주될 만큼 충분한 적설량이다.
호수 효과 사례
이리호는 클리블랜드 동부 교외에서 이리를 거쳐 버펄로까지 이어지는 지역에 비슷한 영향을 미친다. 이리호에서 발생한 호수 효과 눈의 잔여물은 남쪽으로 개릿군, 동쪽으로 제네바 (뉴욕주)까지 도달하는 것이 관찰되었다. 다른 호수만큼 깊지 않기 때문에 이리호는 봄과 여름에 빠르게 따뜻해지며, 겨울에 얼어붙는 유일한 오대호인 경우가 많다. 일단 얼어붙으면, 그 결과로 생긴 얼음 덮개는 호수 하류의 호수 효과 눈을 완화시킨다. 호수 퇴적물에서 얻은 안정 동위 원소 증거와 호수 효과 눈 증가에 대한 역사적 기록을 결합하여, 지구 온난화가 호수 효과 눈의 추가적인 증가를 초래할 것이라고 예측되었다.
미시간 어퍼반도에는 호턴, 마켓, 뮤니싱 시 근처에 매우 큰 스노벨트가 존재한다. 이 지역들은 일반적으로 매 시즌 250–300 인치 (635–762 cm)의 눈이 내린다. 비교하자면, 서부 해안의 덜루스는 시즌당 78 인치 (198 cm)의 눈이 내린다.
호수 효과 사례
미시간 서부, 미시간 북부 저지대 서부, 인디애나주 북부는 미시간호를 지나가는 바람이 머스키건, 트래버스시티, 그랜드래피즈, 캘러머주, 뉴 칼라일, 사우스벤드, 엘카트에 눈을 쌓이게 하므로 많은 호수 효과 눈이 내릴 수 있지만, 이 눈은 랜싱이나 포트웨인에 도달하기 전에 크게 줄어든다. 바람이 북풍이 되거나 330°에서 030° 사이로 정렬되면 미시간호 길이 전체에 걸쳐 하나의 호수 효과 눈 밴드가 형성될 수 있다. 이 긴 페치는 종종 매우 강하지만 국지적인 집중 폭설 지역을 생성하여 라포르테와 게리와 같은 도시에 영향을 미친다.
호수 효과 사례
온타리오주 남서부는 삼면이 물로 둘러싸여 있기 때문에 온타리오주 남서부와 중부의 많은 지역이 겨울철 눈의 상당 부분을 호수 효과 눈으로 받는다. 이 지역은 북미에서 가장 혼잡한 고속도로인 (온타리오 고속도로 401)에서 갑자기 시야를 맑음에서 제로로 줄일 수 있는 백색 폭풍으로 악명이 높다. 가장 일반적으로 영향을 받는 지역은 서쪽으로 포트 스탠리 (온타리오주), 북쪽으로 브루스반도, 동쪽으로 나이아가라온더레이크, 남쪽으로 포트 이리 (온타리오주)까지 이어진다. 가장 많은 적설은 보통 휴런호와 조지아만 사이에 있는 브루스반도에서 발생한다. 오대호가 얼어붙지 않는 한, 브루스반도에 호수 효과 눈이 내리지 않는 유일한 경우는 바람이 남쪽에서 직접 불어올 때이다.
호수 효과 사례
그레이트솔트호의 남쪽과 남동쪽은 상당한 호수 효과 눈을 받는다. 그레이트솔트호는 결코 얼지 않기 때문에 호수 효과는 와사치 산맥을 따라 연중 날씨에 영향을 미칠 수 있다. 호수 효과는 호수 남쪽과 동쪽에 기록되는 연간 55–80 인치 (140–203 cm)의 강설량과 와사치 산맥에서 평균 500 인치 (13 m)의 강설량에 크게 기여한다. 반건조 기후로 인해 종종 매우 가볍고 건조한 눈은 산악 지역에서 "지구상 최고의 눈"이라고 불린다. 호수 효과 눈은 솔트레이크시티에서 연간 약 6~8번의 강설에 기여하며, 도시 강수량의 약 10%가 이 현상으로 인해 발생한다.
2016년 12월 한 차례, 로스 바넷 저수지에서 발생한 호수 밴드로 인해 미시시피주 중부에 호수 효과 눈이 내렸다.
호수 효과 사례
미국 서해안은 가끔 해양 효과 소나기를 경험하며, 대개 컬럼비아강 하구 남쪽의 저고도 지역에서 비 형태로 나타난다. 이는 캐나다 서부에서 온 북극 기단이 태평양 위로 서쪽으로 이동할 때, 일반적으로 프레이저 밸리를 거쳐 저기압 중심 주변으로 해안으로 돌아올 때 발생한다. 프레이저 밸리에서 남서쪽으로 흐르는 차가운 공기는 조지아 해협과 후안 데 푸카 해협 위로 수분을 흡수하고, 올림픽산맥의 북동쪽 경사면 위로 상승하여 포트앤절리스, 세큠, 키챕군, 그리고 퓨젯 사운드 지역에서 국지적으로 많은 눈을 내리게 한다.
플로리다주에서는 어떤 종류의 눈도 매우 드물지만, 멕시코만 북부 해안을 따라 걸프 효과 눈 현상이 역사상 몇 번 관찰되었다. 최근에는 2003년 1월 24일에 대서양에서 불어오는 바람과 30°F 범위의 기온이 결합하여 플로리다 북부 대서양 해안에 잠시 눈보라를 가져왔으며, 케이프 커내버럴 남쪽까지 공중에서 관찰되었다.
호수 효과 사례
남부 흑해는 비교적 따뜻하기 때문에 (겨울 초에는 약 13°C 또는 55°F, 겨울 말에는 일반적으로 10~6°C 또는 50~43°F), 충분히 차가운 상층 공기는 비교적 짧은 시간 안에 상당한 눈을 내리게 할 수 있다. 또한, 차가운 공기가 이 지역에 도착하면 천천히 움직이는 경향이 있어 며칠, 때로는 몇 주 동안 간헐적으로 호수 효과 눈이 내린다.
이 지역에서 가장 인구가 많은 도시인 이스탄불은 호수 효과 눈에 매우 취약하며, 겨울 평균 기온이 파리와 비슷한 5 °C (41 °F)임에도 불구하고 거의 매년 겨울 이 기상 현상이 발생한다. 여러 차례 호수 효과 눈 폭풍은 일주일 이상 지속되었으며, 공식적인 단일 폭풍 적설량 총계는 도심에서 80 센티미터 (2.6 ft; 31 in)를 초과하고 도시 주변에서는 104 센티미터 (3.41 ft; 41 in)를 초과했다. 이보다 앞선 비공식 측정치는 이 지역에 충분히 오래된 기상 관측소가 상대적으로 부족하기 때문에 종종 더 높으며, 일부 자료는 1987년 3월의 블리자드 동안 최대 4 미터 (13 ft; 160 in)의 눈이 내렸다고 주장한다.
호수 효과 사례
한편, 이 지역의 산악 지방에서는 지형 효과로 인해 강설량이 증폭되어 특히 고도가 높은 지역에서는 수 미터의 눈이 내리는 경우가 많다.
북유럽에서는 러시아에서 불어오는 차갑고 건조한 기단이 발트해를 가로질러 스웨덴 남부와 동부 해안 지역, 그리고 덴마크 보른홀름섬, 윌란반도 동해안, 폴란드 북부 해안에 심한 눈보라를 일으킬 수 있다. 발트해 북부 지역에서는 얼음이 더 늦게 얼기 때문에 주로 초겨울에 이런 현상이 발생한다. 노르웨이 남동부 또한 동북동풍과 함께 심한 해상 눈 현상을 경험할 수 있다. 특히 크라게뢰에서 크리스티안산까지의 해안 지역은 스카게라크해에서 발생하는 강한 지속적인 눈 밴드와 함께 과거에 놀라운 적설량을 기록했다 (해안 도시 아렌달은 2007년 2월 말 한 주 동안 280 cm (110 in)을 기록했다). 핀노스칸디아에는 호수가 풍부하지만, 차가운 내륙에서 얕은 담수가 일찍 얼어붙기 때문에 이러한 종류의 강설은 드물다. 한 가지 주목할 만한 예외는 2008년 5월 중순에 일어났는데, 오래 전에 얼음이 녹은 실리안 호수의 렉산드에 30 cm (12 in)의 눈이 내렸다.
동해는 일본 서부의 산악 지대인 니가타현과 나가노현에 눈을 내리게 하는데, 이 지역 중 일부는 통칭 설국으로 알려져 있다. 일본 외에도 해양성 기후를 띠는 한국의 많은 지역과 산둥반도에서도 이러한 현상이 발생한다.
강한 바람과 매우 크고 깊은 호수는 가을에 바이칼호 주변의 강설량을 증가시키지만, 1월부터 봄까지 호수 표면 전체가 거의 얼어붙어 호수 효과 눈은 발생하지 않는다.
극지방 또는 시베리아 고기압 중심이 카스피해를 따라 이동할 때, 이 바다의 상대적으로 따뜻한 물로 인해 이란 북부 해안에 폭설이 내릴 수 있다. 지난 수십 년 동안 이 지역에서는 여러 차례 블리자드가 보고되었다. 2014년 2월, 길란과 마잔다란 주 해안 지역에 폭설이 내렸고, 적설량은 200 cm (79 in)에 달했다. 가장 많은 눈은 안잘리 라군 근처의 압케나르 마을에서 보고되었다.
영국에서는 동풍이 차가운 대륙성 공기를 북해를 가로질러 불어와 비슷한 현상을 일으킬 수 있다. 현지에서는 눈이 호수보다는 바다에서 오는데도 "호수 효과 눈"으로 알려져 있다. 마찬가지로 북서풍이 불 때 리버풀만에서 눈보라가 형성되어 체셔 평원을 따라 내려와 웨스트미들랜즈에 눈을 내리게 할 수 있다. 이러한 형성으로 인해 이 지역에서는 2004년 화이트 크리스마스가 발생했으며, 가장 최근에는 2017년 12월 8일과 2019년 1월 30일에 폭설이 내렸다.
가장 잘 알려진 사례는 1987년 1월에 발생했는데, 기록적인 한파 (상층 저기압과 관련됨)가 북해를 가로질러 영국으로 이동했다. 그 결과 해안 지역에 2피트 이상의 눈이 내렸고, 이로 인해 지역 사회가 일주일 이상 고립되었다. 이 사건 중 가장 최근에 영국 동해안에 영향을 미친 것은 2017년 11월 30일, 2018년 2월 28일, 2018년 3월 17일이며, 2018년 영국 및 아일랜드 한파와 관련이 있다. 2017/18년 겨울의 두 번째 사건은 특히 심각하여 27일부터 28일까지 총 27.5 인치 (70 cm)의 눈이 내렸다.
마찬가지로, 한파 동안 영국 해협의 비교적 따뜻한 해수 위를 부는 북풍은 프랑스 노르망디 지역에 상당한 눈을 가져올 수 있는데, 2013년 3월에는 눈더미가 10피트 (3m)를 초과하는 것으로 측정되었다.
평준화 효과
평준화 효과, 수평화 효과, 레벨링 이펙트(leveling effect) 또는 용매 평준화(solvent leveling)는 산과 염기의 특성에 대한 용매의 효과를 말한다. 강산의 세기는 용매의 염기성에 의해 제한("평준화")된다. 마찬가지로 강염기의 세기는 용매의 산도에 의해 평준화된다. 강산이 물에 용해되면 물과 반응하여 하이드로늄 이온 (H3O+)을 형성한다. 다음은 "HA"가 강산인 반응의 예이다:
HA + H2O → A− + H3O+
H3O+보다 강한 모든 산은 H2O와 반응하여 H3O+를 형성한다. 따라서 H3O+보다 강한 산은 H2O에 존재하지 않는다. 예를 들어, 수성 과염소산 (HClO4), 수성 염산 (HCl) 및 수성 질산 (HNO3)은 모두 완전히 이온화되며, 모두 동일하게 강한 산이다.
평준화 효과
마찬가지로, 암모니아가 용매일 때 가장 강한 산은 암모늄 이온 (NH4+)이며, 따라서 HCl과 초강산은 동일한 산성화 효과를 발휘한다.
동일한 논리가 염기에도 적용된다. 물에서는 OH−가 가장 강한 염기이다. 따라서 아미드화 나트륨 (NaNH2)이 탁월한 염기임에도 불구하고 (NH3의 pKa ~ 33), 물에서는 수산화 나트륨만큼만 강하다. 반면에 NaNH2는 암모니아에서 NaOH보다 훨씬 더 염기성 시약이다.
특정 용매에 의해 허용되는 pH 범위를 산-염기 식별 범위라고 한다.