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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.
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.
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 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 (수직으로 약 )인 고도의 공기 온도는 지표면 공기 온도보다 낮아야 한다. 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 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 으로 측정되는 약 ) 사이의 약 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.
페치.
기단이 수역 위를 이동하는 거리를 페치라고 한다. 대부분의 호수는 모양이 불규칙하여 다른 각도의 이동은 다른 거리를 초래한다. 일반적으로 호수 효과 강수를 생성하려면 최소 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 이내이지만 때로는 약 까지도 이른다.
풍속 전단.
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 으로 측정되는 대기 고도 사이의 방향성 전단이 60°보다 크면 눈발 외에는 아무것도 예상할 수 없다. 수역과 기압이 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 으로 측정되는 수직 고도 사이의 풍속 차이는 를 초과해서는 안 된다. 그러나 지표에서 까지의 바람이 균일하다고 가정하면, 더 빠른 전체 속도는 물에서 수분을 더 빠르게 운반하는 데 작용하며, 밴드는 훨씬 더 내륙으로 이동한다.
상류 수분.
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.
상풍 호수.
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.
종관 강제.
상층의 와도 이류와 대규모 상승은 혼합 및 대류 깊이를 증가시키는 반면, 한기 이류는 온도를 낮추고 불안정성을 증가시킨다.
오로그래피 및 지형.
일반적으로 호수 효과 강수는 호수 하류의 고도와 함께 증가하는데, 이는 지형적 강제가 강수를 짜내고 돌풍을 훨씬 더 빨리 건조시키기 때문이다.
눈과 얼음 덮개.
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.
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 이상의 눈이 내린다. 터그 힐의 가장 눈이 많이 오는 지역인 몬태규, 오세올라, 레드필드, 워스 마을의 접점 근처는 연평균 이상의 눈이 내린다.
2007년 2월 3일부터 12일까지 터그 힐 고원의 노스 레드필드에는 호수 효과 눈으로 10일 동안 의 눈이 내렸다. 터그 힐의 다른 주요 장기 호수 효과 눈폭풍 사례로는 2001년 12월 27일부터 2002년 1월 1일까지 몬태규에 6일 동안 의 눈이 내린 것, 1997년 1월 10일부터 14일까지 노스 레드필드에 5일 동안 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 의 눈이 내리는데, 이는 미국에서 "가장 눈이 많이 오는" 대도시 중 하나로 간주될 만큼 충분한 적설량이다.
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 의 눈이 내린다. 비교하자면, 서부 해안의 덜루스는 시즌당 의 눈이 내린다.
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.
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.
미국 내 다른 지역.
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 의 강설량과 와사치 산맥에서 평균 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.
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.
이스탄불과 터키 북부.
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 임에도 불구하고 거의 매년 겨울 이 기상 현상이 발생한다. 여러 차례 호수 효과 눈 폭풍은 일주일 이상 지속되었으며, 공식적인 단일 폭풍 적설량 총계는 도심에서 를 초과하고 도시 주변에서는 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 의 눈이 내렸다고 주장한다.
한편, 이 지역의 산악 지방에서는 지형 효과로 인해 강설량이 증폭되어 특히 고도가 높은 지역에서는 수 미터의 눈이 내리는 경우가 많다.
발트해 주변.
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 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 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 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 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.
호수 효과 눈에 대한 경고:
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:
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.
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.&lt;ref name="Shriver/Atkins fifth"&gt;&lt;/ref&gt;
평준화 용매와 구별 용매.
강염기는 산에 대한 평준화 용매이고, 약염기는 산에 대한 구별 용매이다. 평준화 용매에서는 많은 산이 완전히 해리되어 동일한 세기를 가진다. 모든 산은 양성자에 대한 강염기의 더 큰 친화력 때문에 강염기성 용매에 용해될 때 세기가 구별 불가능해지는 경향이 있다. 이를 평준화 효과라고 한다.
반면에 구별 용매에서는 다양한 산이 다른 정도로 해리되어 다른 세기를 가진다. 예를 들어, 무수 아세트산 (CH3COOH)은 물보다 약한 양성자 수용체이다. 염산 및 과염소산과 같은 강한 수성산은 무수 아세트산에서는 부분적으로만 해리되며 그 세기가 같지 않다. 사실 과염소산은 이 용매에서 염산보다 약 5000배 더 강하다. 아세트산과 같은 약염기성 용매는 물과 같은 강염기성 용매보다 양성자를 수용하는 경향이 적다. 마찬가지로 약산성 용매는 강산보다 양성자를 기증하는 경향이 적다.
일반적인 용매의 평준화 효과 때문에, 초강산에 대한 연구는 액화된 이산화 황 및 SO2ClF와 같이 매우 약염기성인 더 구별적인 용매에서 수행된다.
양성자 상호작용에 따른 용매의 종류.
양성자 상호작용에 따라 용매는 네 가지 유형으로 나뉜다.
(i) 양성자 친화성 용매: 양성자를 수용하는 경향이 큰 용매, 즉 물, 알코올, 액체 암모니아 등.
(ii) 양성자 생성성 용매: 양성자를 생성하는 경향이 있는 용매, 즉 물, 액체 염화수소, 빙초산 등.
(iii) 양쪽성 용매: 양성자 친화성 또는 양성자 생성성으로 작용하는 용매, 예를 들어 물, 액체 암모니아, 에틸 알코올 등.
(iv) 비양성자성 용매: 양성자를 주지도 받지도 않는 용매, 예를 들어 벤젠, 사염화탄소, 이황화탄소 등.
HCl은 H2O에서는 강산, NH3에서는 더 강한 산, CH3COOH에서는 약산, C6H6에서는 중성, HF에서는 약염기로 작용한다. NaHSO3는 DMSO에서는 약산, NH3에서는 강산, 빙초산에서는 약염기, 황산에서는 강염기로 작용한다.
자기광학 효과(magneto-optic effect)는 준정적 자기장의 존재에 의해 변형된 매질을 통해 전자기파가 전파되는 여러 현상 중 하나이다. 이 매질은 자이로트로픽 또는 자이로마그네틱이라고도 불리며, 좌회전 및 우회전 타원 편광이 다른 속도로 전파될 수 있어 여러 중요한 현상을 야기한다. 빛이 자기광학 물질 층을 통과할 때 발생하는 현상은 패러데이 효과라고 불린다. 이로 인해 편광 면이 회전할 수 있으며, 이는 패러데이 회전자를 형성한다. 자기광학 물질로부터 반사되는 현상은 자기광 커 효과로 알려져 있다 (이는 비선형 커 효과와 혼동해서는 안 된다).
일반적으로 자기광학 효과는 국지적으로 시간 역전 대칭성을 깨뜨리며 (즉, 자기장의 원천이 아닌 빛의 전파만 고려할 때), 로렌츠 상반성도 깨뜨린다. 이는 광학 아이솔레이터(빛이 한 방향으로만 통과하고 다른 방향으로는 통과하지 못하는 장치)와 같은 장치를 구성하는 데 필수적인 조건이다.
무손실 매질의 복소수 켤레 유전율 텐서에 해당하는 두 주된 편광의 회전 방향이 반대인 두 자이로트로픽 물질은 광학 이성질체라고 불린다.
자이로트로픽 유전율.
특히 자기광학 물질에서 자기장(외부에서 가해지거나 물질 자체가 강자성인 경우)의 존재는 물질의 유전율 텐서 ε를 변화시킬 수 있다. ε는 이방성을 띠게 되며, 입사광의 주파수 ω에 따라 복소수 비대각 성분을 가진 3×3 행렬이 된다. 흡수 손실을 무시할 수 있다면 ε는 에르미트 행렬이다. 결과적으로 주축도 복소수가 되며, 좌회전 및 우회전 편광이 다른 속도로 이동할 수 있는 타원 편광된 빛에 해당한다 (복굴절과 유사).
더 구체적으로, 흡수 손실을 무시할 수 있는 경우 에르미트 ε의 가장 일반적인 형태는 다음과 같다.
또는 equivalently 변위장 D와 전기장 E 사이의 관계는 다음과 같다.
여기서 formula_3는 실수 대칭행렬이고 formula_4는 자이레이션 벡터라고 불리는 실수 유사벡터이며, 그 크기는 일반적으로 formula_3의 고유값에 비해 작다. g의 방향은 물질의 자이레이션 축이라고 불린다. 1차 근사에서 g는 인가된 자기장에 비례한다.
여기서 formula_7는 자기광학 감수율이다 (등방성 매질에서는 스칼라이지만, 일반적으로는 텐서이다). 만약 이 감수율 자체가 전기장에 의존한다면, 자기광학 파라메트릭 생성의 비선형 광학 효과(인가된 자기장에 의해 강도가 제어되는 포켈스 효과와 다소 유사)를 얻을 수 있다.
가장 간단한 분석 사례는 g가 formula_3의 주축(고유벡터)이고 formula_3의 다른 두 고유값이 동일한 경우이다. 이때, 편의상 g를 z 방향으로 놓으면 ε 텐서는 다음과 같은 형태로 단순화된다.
가장 일반적으로는 z 방향(g와 평행)으로 전파되는 빛을 고려한다. 이 경우 해는 위상속도 formula_11를 가진 타원 편광된 전자기파이다 (여기서 μ는 자기 투자율이다). 이 위상 속도의 차이가 패러데이 효과로 이어진다.
자이레이션 축에 순수하게 수직으로 전파되는 빛의 특성은 코튼-무통 효과로 알려져 있으며, 서큘레이터에 사용된다.
커 회전 및 커 타원율.
커 회전과 커 타원율은 자이로마그네틱 물질과 접촉하는 입사광의 편광 변화를 의미한다. 커 회전은 투과된 빛의 편광면에서의 회전이며, 커 타원율은 빛이 전파하는 평면에서 타원 편광된 빛에 의해 그려진 타원의 장축 대 단축의 비율이다. 편광된 입사광의 방향 변화는 이 두 속성을 사용하여 정량화할 수 있다.
고전 물리학에 따르면 빛의 속도는 물질의 유전율에 따라 달라진다.
여기서 formula_13는 물질을 통과하는 빛의 속도, formula_14는 물질의 유전율, formula_15는 물질의 투자율이다. 유전율이 이방성이므로, 다른 방향의 편광된 빛은 다른 속도로 이동한다.
이것은 원편파된 빛의 파동을 고려하면 더 잘 이해할 수 있다 (오른쪽 참조). 이 파동이 수평 성분 (녹색 사인 곡선)이 수직 성분 (파란색 사인 곡선)과 다른 속도로 이동하는 물질과 상호 작용하면, 두 성분은 90도 위상차 (원편파에 필요한)를 벗어나 커 타원율을 변화시킨다.
커 회전의 변화는 선형 편광된 빛에서 가장 쉽게 인식할 수 있으며, 이 빛은 두 원편파 성분, 즉 왼손 원편파 (LHCP) 빛과 오른손 원편파 (RHCP) 빛으로 분리될 수 있다. 자기광학 물질 유전율의 이방성은 LHCP 및 RHCP 빛의 속도 차이를 유발하며, 이는 편광된 빛의 각도를 변화시킬 것이다. 이러한 속성을 나타내는 물질은 복굴절성 물질로 알려져 있다.
이 회전으로부터 우리는 직교 속도 성분의 차이를 계산하고, 이방성 유전율을 찾고, 자이레이션 벡터를 찾고, 인가된 자기장 formula_16를 계산할 수 있다.
마랑고니 효과(Marangoni effect) 또는 깁스-마랑고니 효과(Gibbs–Marangoni effect)는 표면장력의 기울기 때문에 두 상 사이의 계면을 따라 발생하는 물질 이동이다. 온도의존성의 경우, 이 현상을 열모세관 대류 또는 베나르-마랑고니 대류라고 부를 수 있다.
이 현상은 1855년 물리학자 제임스 톰슨(켈빈 경의 형제)이 이른바 "와인의 눈물"에서 처음으로 확인했다. 이 일반적인 효과는 이탈리아의 물리학자 카를로 마랑고니의 이름을 따서 명명되었는데, 그는 파비아 대학교에서 박사 논문을 위해 이 효과를 연구했고 1865년에 그의 결과를 발표했다. 이 주제에 대한 완전한 이론적 설명은 조지프 존 깁스가 그의 저서 이종 물질의 평형에 관하여 (1875-1878)에서 제시했다.
표면장력이 높은 액체는 낮은 표면장력을 가진 액체보다 주변 액체를 더 강하게 잡아당기므로, 표면장력의 기울기가 존재하면 액체가 낮은 표면장력 영역에서 멀어지도록 자연스럽게 흐르게 된다. 표면장력 기울기는 농도 기울기나 온도 기울기(표면장력은 온도의 함수이다)에 의해 발생할 수 있다.
간단한 경우, 흐름의 속도 formula_1이며, 여기서 formula_2는 표면장력의 차이이고 formula_3는 액체의 점성도이다. 상온의 물은 약 0.07 N/m의 표면장력과 약 10−3 Pa⋅s의 점성도를 가진다. 따라서 물의 표면장력에 몇 퍼센트의 변화만 있어도 거의 1 m/s의 마랑고니 흐름을 생성할 수 있다. 이로 인해 마랑고니 흐름은 흔하게 발생하고 쉽게 관찰될 수 있다.
물 표면에 계면활성제 작은 방울이 떨어지는 경우, 로슈(Roché)와 동료들은 정량적 실험을 수행하고 실험과 대략적으로 일치하는 간단한 모델을 개발했다. 이 모델은 바깥쪽으로 향하는 마랑고니 흐름 속도 formula_4로 인해 계면활성제로 덮인 표면 패치의 반경 formula_5의 확장을 설명했다. 그들은 계면활성제로 덮인 물 표면 패치의 확장 속도가 대략 다음 속도로 발생한다는 것을 발견했다.
여기서 formula_7는 물의 표면장력, formula_8는 계면활성제로 덮인 물 표면의 (더 낮은) 표면장력, formula_3는 물의 점성도, 그리고 formula_10는 물의 질량 밀도이다. formula_11 N/m, 즉 물의 표면장력이 수십 퍼센트 감소하는 경우, 그리고 물의 경우 formula_12 N⋅m−6⋅s3이므로, formula_13를 얻으며, 여기서 u는 m/s 단위이고 r은 m 단위이다. 이는 계면활성제로 덮인 영역이 커질수록 속도가 감소하지만, cm/s에서 mm/s 정도의 속도를 나타낸다.
이 방정식은 몇 가지 간단한 근사를 통해 얻어진다. 첫 번째는 계면활성제 농도 기울기(마랑고니 흐름을 유발)로 인한 표면의 응력과 (흐름에 저항하는) 점성 응력을 동일하게 놓는 것이다. 마랑고니 응력 formula_14은 계면활성제 농도 기울기(확장하는 패치 중앙에서 높고 패치에서 멀리 떨어질수록 0)로 인한 표면장력의 기울기이다. 점성 층밀림 변형력은 간단히 점성도에 층밀림 속도의 기울기를 곱한 것 formula_15이며, 여기서 formula_16은 확산 패치로 인한 흐름이 물 속으로 침투하는 깊이이다. 로슈(Roché)와 동료들은 운동량(방향은 방사형)이 확산되는 동안 액체 속으로 확산되어 패치가 반경 formula_5에 도달하면 formula_18이 되며, 여기서 formula_19는 동점성도로 유체 내에서 운동량의 확산 상수이다. 두 응력을 동일하게 놓으면,
여기서 기울기 formula_21로 근사했다. 양변에 2/3승을 취하면 위 식이 나온다.
무차원 값인 마랑고니 수는 표면장력과 점성력의 상대적 효과를 특성화하는 데 사용될 수 있다.
와인의 눈물.
예를 들어, 포도주는 "와인의 눈물"이라고 불리는 가시적인 효과를 나타낼 수 있다. 이 효과는 알코올이 물보다 낮은 표면장력과 높은 휘발성을 가지고 있기 때문에 발생한다. 물/알코올 용액은 유리 표면을 따라 올라가 유리 표면의 표면 에너지를 낮춘다. 알코올은 필름에서 증발하여 더 높은 표면장력을 가진 액체(더 많은 물, 더 적은 알코올)를 남긴다. 알코올 농도가 낮은(표면장력이 큰) 이 영역은 알코올 농도가 높은(유리잔 바닥에 가까운) 영역보다 주변 액체를 더 강하게 잡아당긴다. 그 결과 액체는 자체 무게가 효과의 힘을 초과할 때까지 위로 당겨지고, 액체는 다시 용기 벽을 따라 흘러내린다. 이것은 또한 매끄러운 표면에 물의 얇은 막을 펴고 그 막의 중심에 알코올 한 방울을 떨어뜨림으로써 쉽게 시연될 수 있다. 액체는 알코올 방울이 떨어진 영역에서 쏟아져 나올 것이다.
수송 현상에 대한 중요성.
지구 조건에서 유체/유체 계면을 따라 온도 기울기가 있는 시스템에서 자연 대류를 일으키는 중력의 영향은 일반적으로 마랑고니 효과보다 훨씬 강하다. 중력의 영향 없이 마랑고니 효과를 관찰하기 위해 사운딩 로켓에 탑재된 미세중력 환경 조건에서 많은 실험(ESA MASER 1-3)이 수행되었다. 국제우주정거장에서 수행된 히트 파이프 연구는 지구상에서 온도 기울기에 노출된 히트 파이프가 한쪽 끝에서 내부 유체를 증발시켜 파이프를 따라 이동하게 하여 뜨거운 끝을 건조시키는 반면, 우주에서는 (중력의 영향을 무시할 수 있는 곳) 반대 현상이 일어나 파이프의 뜨거운 끝이 액체로 범람한다는 것을 밝혀냈다. 이는 모세관 현상과 함께 마랑고니 효과 때문이다. 액체는 모세관 현상에 의해 튜브의 뜨거운 끝으로 끌려간다. 그러나 대부분의 액체는 마랑고니 흐름으로 설명되는 튜브의 가장 뜨거운 부분에서 약간 떨어진 곳에 방울 형태로 남아 있다. 축 방향 및 방사형 방향의 온도 기울기는 액체가 뜨거운 끝과 튜브 벽에서 멀어져 중심 축을 향해 흐르게 한다. 액체는 튜브 벽과 작은 접촉 면적을 가진 방울을 형성하며, 더 차가운 방울과 뜨거운 끝에 있는 액체 사이에 얇은 순환 액체 막을 형성한다.
가열 표면(예: 과냉각 핵비등)에 기포가 존재할 때 마랑고니 효과가 열 전달에 미치는 영향은 오랫동안 무시되어 왔지만, 현재는 비등 시 열 전달 이해에 대한 잠재적인 근본적 중요성 때문에 지속적인 연구 관심의 대상이다.
예시 및 응용.
잘 알려진 예로는 비누막이 있는데, 마랑고니 효과는 비누막을 안정화시킨다. 마랑고니 효과의 또 다른 예는 대류 셀, 즉 베나르 셀의 동작에서 나타난다.
마랑고니 효과의 중요한 응용 중 하나는 집적회로 제조 중 습식 처리 단계 후 규소 웨이퍼를 건조하는 데 사용되는 것이다. 웨이퍼 표면에 남아 있는 액체 얼룩은 웨이퍼의 부품을 손상시키는 산화를 일으킬 수 있다. 얼룩을 방지하기 위해, 알코올 증기(IPA) 또는 기체, 증기, 에어로졸 형태의 다른 유기 화합물이 습한 웨이퍼 표면 위로(또는 웨이퍼가 침지조에서 들어 올려질 때 세척액과 웨이퍼 사이에 형성된 메니스커스에서) 노즐을 통해 불어넣어진다. 이어서 마랑고니 효과는 액체 내에 표면장력 기울기를 유발하여 중력이 액체를 웨이퍼 표면에서 완전히 끌어내리도록 더 쉽게 만들어 효과적으로 건조된 웨이퍼 표면을 남긴다.
비슷한 현상이 나노입자를 정렬된 배열로 자기조립하는 데 그리고 정렬된 나노튜브를 성장시키는 데 창의적으로 활용되었다. 나노입자를 함유한 알코올을 기판에 바른 후, 습한 공기를 기판 위로 불어 넣는다. 알코올은 흐름 아래에서 증발한다. 동시에 물은 응결되어 기판 위에 미세 방울을 형성한다. 한편, 알코올 속의 나노입자들은 미세 방울로 이동하여 건조 후 기판 위에 수많은 커피링을 형성한다.
또 다른 응용 분야는 작은 스케일에서 표면장력 효과의 관련성을 활용하여 입자를 조작하는 것이다. 적외선 레이저를 사용하여 공기-물 계면을 국부적으로 가열함으로써 제어된 열모세관 대류가 생성된다. 그런 다음, 이 흐름은 떠다니는 물체의 위치와 방향을 제어하는 데 사용되며, 치리오 효과를 활용하여 떠다니는 물체의 자기조립을 촉진할 수 있다.
마랑고니 효과는 용접, 결정 성장 및 금속의 전자 빔 용융 분야에서도 중요하다.
미스나이-샤르딘 효과(Misnay–Schardin effect) 또는 플래터 효과(platter effect)는 넓은 폭발물 판이 폭발할 때 나타나는 특징이다.
폭발물의 폭풍은 폭발물 표면에서 직접 멀어지며 그 표면에 수직으로 확장된다. 모든 방향으로 확장되는 둥근 폭발성 전하의 폭풍과는 달리, 폭발성 시트에 의해 생성된 폭풍은 주로 그 평면에 수직으로 양방향으로 확장된다. 그러나 한쪽 면이 무겁거나 고정된 질량으로 지지되면, 폭풍의 대부분(즉, 급격히 팽창하는 가스와 그 운동 에너지의 대부분)은 질량에서 멀어지는 방향으로 반사된다.
미스나이-샤르딘 효과는 폭발물 전문가인 헝가리인 요제프 미스나이(Misnay, 때때로 Misznay로 잘못 표기됨)와 독일인 후베르트 샤르딘에 의해 연구되고 실험되었다. 이들은 처음에 나치 독일을 위해 더 효과적인 대전차 지뢰를 개발하려고 했다. 일부 출처는 제2차 세계 대전이 그들의 설계가 사용 가능해지기 전에 끝났다고 주장하지만, 그들과 다른 이들은 계속해서 작업을 진행했다. 미스나이는 43M TAK 대전차 지뢰와 44M LŐTAK 측면 공격 지뢰 두 가지 무기를 설계했다. 헝가리군은 1944-1945년에 이 무기들을 사용했다.
이후의 AT2 및 M18 클레이모어 지뢰도 이 효과를 활용한다.
화학에서 메조머리 효과(mesomeric effect) 또는 공명 효과(resonance effect)는 화합물 내 치환기 또는 작용기의 특성이다. 이는 두 파이 결합 또는 인접한 원자에 존재하는 파이 결합과 고립 전자쌍 간의 상호작용으로 인해 분자에 생성되는 극성으로 정의된다. 이러한 전자 배열의 변화는 분자의 실제 구조로 혼성화되는 공명 구조의 형성을 초래한다. 그러면 파이 전자가 특정 치환기 그룹에서 멀어지거나 가까워진다. 메조머리 효과는 이온화 에너지가 낮은 화합물에서 더 강하다. 이는 전자전달 상태의 에너지가 더 낮기 때문이다.
메조머리 효과의 표현.
이 효과는 질적인 방식으로 사용되며 관련 공명 구조를 기반으로 치환기의 전자를 끌어당기거나 방출하는 특성을 설명하며 기호 M으로 표시된다. 치환기가 전자를 끄는 기일 때 메조머리 효과는 음수((−M))이며, 치환기가 전자를 주는 기일 때 효과는 양수((+M))이다. 아래는 +M 및 −M 효과의 두 가지 예이다. 또한 각 유형의 공명에 기여하는 작용기는 아래에 제시되어 있다.
+M 효과.
양성 메조머리 효과라고도 하는 +M 효과는 치환기가 전자를 주는 기일 때 발생한다. 이 그룹은 고립 전자쌍 또는 음전하 중 하나를 가져야 한다. +M 효과에서 파이 전자는 그룹에서 공액 시스템으로 전달되어 시스템의 밀도를 증가시킨다. 전자 밀도의 증가로 인해 공액 시스템은 더 많은 음전하를 띠게 된다. 결과적으로 +M 효과를 받는 시스템은 음전하를 제거할 수 있는 친전자체에 대해 친핵체보다 더 반응성이 높다.
+M 효과 순서:
−M 효과.
음성 메조머리 효과라고도 하는 −M 효과는 치환기가 전자를 끄는 기일 때 발생한다. 음성 메조머리(−M) 효과가 발생하려면 그룹은 전자를 끌어당기기 위해 양전하 또는 빈 궤도를 가져야 한다. −M 효과에서 파이 전자는 공액 시스템에서 멀어져 전자를 끄는 그룹으로 이동한다. 공액 시스템에서 전자의 밀도는 감소하고 전체 전하는 더 양전하를 띠게 된다. −M 효과를 통해 그룹 및 화합물은 친전자체에 대한 반응성이 낮아지고, 전자를 내어놓고 양전하의 균형을 맞출 수 있는 친핵체에 대한 반응성이 높아진다.
−M 효과 순서:
메조머리 효과 vs. 유도 효과.
치환기로부터 또는 치환기로의 순전자 흐름은 유도 효과에 의해서도 결정된다. p-원자 궤도 중첩(공명)의 결과인 메조머리 효과는 이 유도 효과에 전혀 영향을 미치지 않는다. 유도 효과는 원자의 전기 음성도와 분자 내 이들의 위상(어떤 원자가 어떤 원자에 연결되어 있는지)과 순전히 관련이 있기 때문이다. 특히 유도 효과는 재구조화와 관련 없이 순전히 전기 음성도에 기반하여 치환기가 전자를 밀어내거나 끌어당기는 경향이다. 그러나 메조머리 효과는 재구조화와 관련이 있으며 치환기의 전자쌍이 이동할 때 발생한다. 유도 효과는 알파 탄소에만 작용하는 반면, 메조머리 효과는 원자들 사이의 파이 결합을 활용한다. 이 두 경로가 종종 유사한 분자와 공명 구조로 이어지지만 메커니즘은 다르다. 따라서 메조머리 효과는 유도 효과보다 강하다.
메조머리 효과, 메조머리즘 및 메조머의 개념은 잉골드가 1938년에 폴링의 동의어인 공명 개념에 대한 대안으로 도입했다. 이 맥락에서 "메조머리즘"은 독일 및 프랑스 문헌에서 자주 접할 수 있지만, 영어 문헌에서는 "공명"이라는 용어가 지배적이다.
공액계의 메조머리즘.
메조머리 효과는 공액계에서 임의의 수의 탄소 원자를 따라 전달될 수 있다. 이는 전하의 비편재화로 인한 분자의 공명 안정화를 설명한다. 분자의 실제 구조, 즉 공명 혼성체의 에너지는 기여하는 어떤 표준 구조의 에너지보다 낮을 수 있다는 점에 유의해야 한다. 실제 유도 구조와 (가장 안정한 기여 구조인) 최악의 동역학적 구조 간의 에너지 차이를 공명 에너지 또는 공명 안정화 에너지라고 한다. 메조머리/공명 효과 강도를 정량적으로 추정하기 위해 다양한 치환기 상수가 사용된다. 즉, 스웨인-럽턴 공명 상수, 태프트 공명 상수 또는 오지민스키와 도로볼스키 pEDA 매개변수이다.
또한 결과 공명 구조는 분자에 하나의 구조를 보는 것만으로는 본질적으로 명확하지 않은 특성을 부여할 수 있다. 이러한 특성 중 일부는 다른 반응성, 방향족 화합물에서의 국부적인 반자성 차폐, 탈차폐, 산 및 염기 강도를 포함한다.
충 효과(opposition effect), 오포지션 서지(opposition surge), 젤리거 효과(Seeliger effect)는 관측자의 정반대 방향에서 빛을 받을 때 거친 표면이나 많은 입자를 가진 물체가 밝아지는 현상이다. 이 용어는 주로 천문학에서 사용되며, 일반적으로 행성, 달, 혜성과 같은 천체의 관측 위상각이 0에 가까워질 때 밝기가 갑자기 눈에 띄게 증가하는 것을 의미한다. 달과 화성에서 반사되는 빛이 천문학적 충 상태일 때 단순한 람베르트 반사가 예측하는 것보다 훨씬 밝게 보이기 때문에 이러한 이름이 붙었다. 이 관측 현상에 대해 두 가지 물리적 메커니즘이 제안되었다: 그림자 숨김과 일관성 있는 후방 산란.
위상각은 관측자, 관측 대상, 광원 사이의 각도로 정의된다. 태양계의 경우 광원은 태양이며 관측자는 일반적으로 지구에 있다. 위상각이 0도일 때 태양은 관측자의 바로 뒤에 있고 물체는 바로 앞에 있으며 완전히 조명된다.
태양에 의해 빛나는 물체의 위상각이 감소함에 따라 물체의 광도는 증가한다. 이것은 부분적으로 조명되는 면적이 증가하기 때문이기도 하지만, 부분적으로는 햇빛을 받는 부분의 본질적인 밝기(휘도) 때문이기도 하다. 이는 태양 바로 아래에서 가장 강하고 태양에 수직인 물체 부분에서 0으로 가는 표면의 조도에 영향을 받는다. 그러나 휘도는 물체에서 반사된 빛이 관측되는 각도에도 영향을 받는다. 이러한 이유로 보름달의 달빛은 초승달이나 하현달보다 훨씬 더 많다. 비록 가시적으로 조명되는 면적은 두 배에 불과하지만 말이다.
그림자 숨김.
반사각이 빛의 광선이 표면에 닿는 각도에 가까울 때 (즉, 관측자의 시점에서 태양과 물체가 충에 가까울 때), 이 본질적인 밝기는 일반적으로 최대치에 가깝다. 위상각이 0도일 때 모든 그림자가 사라지고 물체는 완전히 조명된다. 위상각이 0에 가까워지면 겉보기 밝기가 갑자기 증가하며, 이 갑작스러운 증가를 충 효과라고 한다.
이 효과는 태양계의 공기 없는 천체의 레골리스 표면에서 특히 두드러진다. 이 효과의 주요 원인은 표면의 작은 구멍과 구덩이가 다른 입사각에서는 그림자에 가려지지만, 관측자가 조명원과 거의 같은 선상에 있을 때 빛을 받기 때문이다. 이 효과는 일반적으로 0에 가까운 매우 작은 범위의 위상각에서만 보인다. 반사 특성이 정량적으로 연구된 천체의 경우, 충 효과의 세부 사항(강도와 각도 범위)은 하프케 매개변수 중 두 가지로 설명된다. 토성의 고리와 같은 행성 고리의 경우, 충 효과는 고리 입자의 그림자가 드러나기 때문에 발생한다. 이 설명은 1887년 후고 폰 젤리거에 의해 처음 제안되었다.
일관성 있는 후방 산란.
충돌 시 밝기를 증가시키는 추가 효과에 대한 이론은 일관성 있는 후방 산란이다. 일관성 있는 후방 산란의 경우, 물체 표면의 산란체 크기가 빛의 파장과 비슷하고 산란 입자 사이의 거리가 파장보다 클 때 좁은 각도에서 반사된 빛이 증폭된다. 밝기 증가는 반사된 빛이 방출된 빛과 일관성 있게 결합하기 때문이다.
일관성 있는 후방 산란 현상은 레이더에서도 관측되었다. 특히, 카시니를 이용한 타이탄의 2.2 cm 파장 최근 관측 결과, 레이더 파장에서 높은 반사율을 설명하기 위해 강력한 일관성 있는 후방 산란 효과가 필요하다는 것이 밝혀졌다.
지구에서는 물방울도 다양한 상황에서 대기대척점 주변에 밝은 점을 만들 수 있다. 더 자세한 내용은 하일리겐샤인과 광륜 (광학 현상)을 참조하라.
태양계 전역에서.
충 효과의 존재는 톰 게렐스가 소행성에서 반사된 빛을 연구하던 중 1956년에 설명했다. 게렐스의 이후 연구는 동일한 효과가 달의 밝기에서도 나타날 수 있음을 보여주었다.
게렐스의 초기 연구 이후, 대부분의 공기 없는 태양계 천체에서 충 효과가 관찰되었다. 상당한 대기를 가진 천체에서는 그러한 효과가 보고되지 않았다.
달의 경우, B. J. 버라티(Buratti) 등은 클레멘타인 우주선의 매우 낮은 위상각 관측을 사용하여 위상각 4°에서 0° 사이에서 달의 밝기가 40% 이상 증가한다는 것을 발견했다. (지구에서의 관측은 월식이 없는 한 위상각이 약 0.5° 미만일 수 없다. 위상각 4°는 월식 전후 약 8시간에 달성된다.) 이 증가는 상대적으로 매끄러운 달의 바다보다 표면이 더 거친 고원 지역에서 더 크다. 이 현상의 주요 메커니즘에 관해서는, 측정 결과 충 효과가 파장에 거의 의존하지 않는다는 것을 보여준다: 0.41 μm에서 1.00 μm보다 3-4% 더 크다. 이 결과는 달의 충 효과의 주요 원인이 일관성 있는 후방 산란보다는 그림자 숨김이라는 것을 시사한다.
멀린스 효과(Mullins effect)는 충전된 고무의 기계적 반응의 특정 측면으로, 변형력–변형률 곡선이 이전에 겪었던 최대 하중에 따라 달라진다. 하트퍼드에 있는 툰 압둘 라자크 연구 센터에서 근무했던 고무 과학자 레너드 멀린스의 이름을 딴 이 현상은, 하중이 이전의 역대 최대값을 초과할 때마다 발생하는 응력-변형률 곡선의 즉각적이고 비가역적인 연화로 여러 목적으로 이상화될 수 있다. 하중이 이전 최대값보다 작을 때는 비선형 탄성 거동이 우세하다. 이 효과는 페인 효과와 혼동되어서는 안 된다.
"멀린스 효과"라는 용어는 일반적으로 충전된 고무의 응력 연화에 적용되지만, 이 현상은 "검"(충전재가 없는 고무)을 포함한 모든 고무에 공통적이다. 멀린스와 동료들에 의해 처음 밝혀진 바와 같이, 탄성체의 수축 응력은 최대 변형률에서의 응력이 일정할 때 카본 블랙과는 무관하다. 멀린스 연화는 점탄성 효과이지만, 충전된 고무에서는 충전 입자가 서로 또는 고분자 사슬에서 분리되는 것으로부터 기계적 이력 현상에 추가적인 기여가 있을 수 있다.
이 효과를 설명하기 위해 여러 구성 모델이 제안되었다. 예를 들어, 오그덴-록스버러 모델은 여러 상업용 유한요소 코드에서 사용된다.
관찰자 기대 효과(Observer-expectancy effect)는 반응성의 한 형태로, 연구원의 인지 편향이 실험 참가자들에게 무의식적으로 영향을 미치는 현상이다. 확증 편향은 실험자가 자신의 가설에 부합하는 정보를 찾고 반대되는 정보를 간과하는 경향 때문에 결과를 잘못 해석하게 만들 수 있다. 이는 연구의 내적 타당성에 심각한 위협이 되므로, 일반적으로 이중 맹검 실험 설계를 사용하여 통제한다.
여기에는 피험자에게 영향을 미치는 요구특성의 생성, 실험 결과 자체의 변경 또는 선택적 기록을 포함하여 피험자 행동에 대한 의식적 또는 무의식적 영향이 포함될 수 있다.
실험자는 관찰자 기대 효과에서 여러 으로 연구에 인지 편향을 도입할 수 있다. 실험자는 연구 결과에 대한 자신의 기대를 참가자에게 미묘하게 전달하여 참가자가 그 기대에 부합하도록 행동을 바꾸게 할 수 있다. 이러한 관찰자 편향 효과는 기대 하에 인간 데이터 해석과 객관성을 촉진하거나 강제하는 불완전한 문화적, 방법론적 규범이 존재하는 상황에서 거의 보편적으로 나타난다.
실험자 편향의 고전적인 예는 "영리한 한스"이다. 한스는 그의 주인 폰 오스텐이 사칙연산과 다른 작업을 할 수 있다고 주장한 오를로프 트로터종 말이었다. 영리한 한스에 대한 대중의 큰 관심으로 인해 철학자이자 심리학자인 카를 슈툼프는 그의 조수인 오스카르 핑스트와 함께 이러한 주장을 조사했다. 단순한 사기를 배제한 핑스트는 폰 오스텐이 질문을 하지 않을 때도 말이 정확하게 답할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 그러나 말이 질문자를 볼 수 없거나 질문자 자신이 정답을 모르는 경우에는 정확하게 답할 수 없었다. 폰 오스텐이 질문의 답을 알고 있을 때 한스는 89%의 시간 동안 정확하게 답했다. 그러나 폰 오스텐이 답을 모를 때 한스는 질문의 6%만을 정확하게 추측했다. 핑스트는 이어서 질문자의 행동을 자세히 조사했으며, 말이 정답에 가까워질수록 질문자의 자세와 표정이 긴장 증가와 일치하는 방식으로 변화하며, 말이 마지막으로 정확하게 탭했을 때 긴장이 풀리는 것을 보여주었다. 이는 말이 탭을 멈추기 위한 강화된 신호로 사용하도록 배운 단서를 제공했다.
실험자 편향은 인간 피험자에게도 영향을 미친다. 예를 들어, 연구자들은 동일한 작업(초상화 사진을 평가하고 각 개인의 성공 정도를 -10에서 10까지의 척도로 추정)을 부여받았지만, 다른 실험자 기대를 가진 두 그룹의 수행을 비교했다. 한 그룹("그룹 A")에서는 실험자들이 긍정적인 평가를 기대하도록 지시받았고, 다른 그룹("그룹 B")에서는 실험자들이 부정적인 평가를 기대하도록 지시받았다. 그룹 A에서 수집된 데이터는 그룹 B에서 수집된 데이터보다 상당히 더 낙관적인 평가였다. 연구자들은 실험자들이 피험자들이 순응하는 미묘하지만 분명한 단서를 주었다고 제안했다.
이중 맹검법 기술은 실험자와 피험자가 어떤 조건에서 데이터가 나오는지 알지 못하게 함으로써 편향을 줄이는 데 사용될 수 있다.
중심 극한 정리 때문에 더 많은 독립적인 측정을 수집하면 추정치의 정밀도가 향상되어 편향이 감소할 것이라고 생각할 수 있다. 그러나 이것은 측정이 통계적으로 독립적이라고 가정한다. 실험자 편향의 경우 측정값은 상관된 편향을 공유한다. 단순히 이러한 데이터를 평균하는 것은 더 나은 통계를 이끌어내지 못하고 개별 측정값 간의 상관관계와 그들의 비독립적 특성을 반영할 뿐일 수 있다.
파스퇴르 효과(Pasteur effect)는 사용 가능한 산소가 에탄올 발효를 억제하여 효모가 세포 호흡으로 전환하여 에너지 운반체인 아데노신 삼인산(ATP)의 생성을 증가시키는 현상을 설명한다. 더 일반적으로 의학 문헌에서 파스퇴르 효과는 산소의 존재가 세포의 해당과정 속도를 감소시키고 락트산 축적을 억제하는 방식을 나타낸다. 이 효과는 동물 조직뿐만 아니라 균계에 속하는 미생물에서도 발생한다.
1857년, 미생물학자 루이 파스퇴르는 폭기된 효모 배양액이 에탄올 생산 감소에 기반하여 세포 성장을 증가시키고 발효율은 감소시킨다는 것을 보여주었다.
조건혐기성 미생물인 효모균은 에탄올 발효 또는 호기성 호흡을 통해 에너지를 생산할 수 있다. O2 농도가 낮을 때, 해당과정을 통해 형성된 두 개의 피루브산 분자는 각각 에탄올과 이산화 탄소로 발효된다. 포도당 1분자당 2 ATP만 생성되지만, 이 방법은 혐기성 조건에서 전자 운반체 NADH를 NAD+로 산화시켜 또 다른 해당과정과 에탄올 발효를 위한 라운드를 제공하기 때문에 활용된다.