번개와 천둥

[Kim byoungil]

1. 번개 :

번개는 대기의 질소를 땅으로 환원시키는 질소고정 메커니즘의 중요한 요인이다. 번개가 자주 치면 질소가 환원되는 양이 늘어나서 지력(地力)이 올라가기 때문이다.

번개가 내리치는 속도(음전하가 지상으로 내리 꽂히는 속도)를 뇌속(雷速)이라 부르는데, 일반적으로 시속 약 3억 6천만 km, 초속으론 약 10만 km으로 빛의 속도의 약 33%이다. 흔히 번개가 빛의 속도라고 생각하지만, 그건 번개에서 나오는 "빛"이 그 속도로, 잘못 알려진 상식이다.

번개는 아래의 초고속카메라 영상처럼 위에서부터 내려오는데 이 내려오는 것의 가장 끝부분을 중심으로 반경 60 m짜리 구를 그리고 이 구에서 가장 중심에 가까운 부분에 친다. 만약 구 안에 아무것도 없으면 무작위적인 방향으로 진행하며, 이 중에서 가장 높거나, 뾰족한 물건으로 친다. 피뢰침이 왜 뾰족하고, 높은 곳에 설치돼있는지 알 수 있을 것이다.

매체에서는 위 사진처럼 빛줄기 형태로 그려지지만 실제로는 그런 모습보다 카메라 플래시처럼 번쩍이는 모습이 훨씬 많이 보인다.

나무가 번개에 맞아서 불을 일으킨 것을 인류가 보고 화식(火食)이 시작되었다고 보는 고고학자들이 많다. 문명이 시작되기 훨씬 전, 인간이 불을 발견할 때 고도의 접촉률로 불이 생성된 것이 아니라 우연히 번개가 나무를 치면서 스파크가 튀어 불이 났고 그 불을 인류가 얻어서 최초로 고기를 구워먹었다는 것이 인류학자들의 생각하는 불의 발견의 정석이다. 즉, 인류학적으로 볼 때 번개는 인류의 문명이 번성하는데 결정적인 이바지를 한 셈이다.

번개가 칠 때 AM라디오 (중파방송, 단파방송) 수신 시에 잡음[1]이 들린다.# 이 원리를 이용해 번개가 내려친 곳을 보여주는 Blitzortung.org이라는 사이트도 있다. 관측소가 많은 북미와 유럽은 정확한 결과를 보여주지만 동아시아 지역은 홍콩과 일본을 제외하고 관측소가 거의 없어서 그냥 하단의 기상청 사이트를 이용하는게 낫다.

번개가 맨땅에 내려칠 경우, 그 땅 속으로 뿌리 모양의 긴 관상 유리질 퇴적물인 섬전암(fulgurite)이 형성된다. 이는 낙뢰의 증거물로서, 과학자들은 이를 바탕으로 그 지역의 과거 기후가 어떠했는지를 추정할 수 있기에 중요한 학술적 가치를 갖는다. 찰스 다윈도 자신의 책에서 섬전암을 발견한 경험을 이야기한 바 있다. 현재까지 보고된 가장 긴 섬전암은 그 길이가 무려 14.9m에 달한다.

2. 번개의 형성원리:

• 발달한 적란운이 비나 눈[5]을 쏟아낸다.

  • 비가 안 오더라도 공기 중에 가득한 습기로 인해 번개가 칠 수 있다. 이를 마른뇌전(마른 하늘에 날벼락, 청천벽력; a bolt from the blue)이라고도 부른다.

• 빗방울이 상승기류로 인해 파열되고, 파열된 빗방울은 양전하를 띠게 된다. 양전하는 주변 공기를 들뜨게 만들어 음전하를 띠는 플라즈마 상태로 만든다. 빗방울이 아래로 떨어지며 파열하기 때문에, 이 음전하를 띠는 공기도 지상으로 퍼져간다. 이렇게 형성된 대량의 양전하와 음전하가 전자를 주고받으며 대량의 전기를 만든다.

  • 이 전기로부터 전자기파(가시광선)가 뿜어지는데, 이것이 우리가 눈으로 보게 되는 번개다.

  • 이 전기로 인해 주변 공기가 순식간에 뜨거워지며 팽창(폭발)하는데, 이때 들리는 폭발 소리가 바로 천둥이다.

• 그리고 하늘에서 지상으로 전자가 내리꽂힌 뒤에 꽂힌 길을 따라 지상에 있던 양전하를 띈 입자[6]가 구름으로 치고 올라가는 되돌이 뇌격(Return Stroke)이 일어난다. 되돌이 뇌격은 번개가 내려오고 1/1000초 만에 일어나기에 연속적인 섬광으로 보이게 된다.

• 강력한 비구름 그 자체보다도 그 강력한 비구름의 폭이 좁을때 빈번하게 발생한다. 혈기 왕성한 사람을 좁은 곳에 가둬두면 싸움이 잘 일어나는것과 비슷한 원리이기도 하다.

3. 번개의 종류 :

보듯이 번개의 종류 중에는 구름 아래로 치는 번개와 위로 치는 번개가 있다. 구름 위로 치는 번개를 상층대기 번개라고 하는데, 일반 번개보다 그 규모가 훨씬 크다.

지그재그로 뻗어 내려오는 형태가 대표적이긴 하지만, 구형의 번개도 있다. 이것이 구형번개, 혹은 구전현상이다. 워낙 드문 현상이라 구체적인 형성 과정은 불분명했으나 2014년 중국연구팀이 원인 규명에 성공했다. 자세한 내용은 해당 문서를 참조.

그리고 과학자들에 의하여 번개가 치기 직전에 전파와 감마선이 폭발적으로 방출되는 어두운 번개(Dark Lightning) 현상이 존재함이 밝혀졌다. 자세한 내용은 링크를 참고할 것.

한편, 화산쇄설물을 기반으로 하는 폭발적인 화산 분출에서도 번개가 발생하며, 이를 화산성 번개라고 한다. 화산재 등과의 마찰, 전하차이 유발 등의 메커니즘이 고려되고 있으나, 현재까지도 정확한 기작은 알려져 있지 않은 상태로, 다양한 방면에서 연구하고 있다.

▲ 폭발 당시 신문 1면을 장식하기도 했던 칠레의 차이텐(Chaiten) 화산의 2008년 분출 모습. 사진에서 화산성 번개가 분연주를 가득 메웠다.

그리고 강력한 지진시에 드문 빈도로 나타난다는 지진광도 번개와 같은 기작이라고 설명하는 경우도 있다.

5. 천둥 : 

천둥(←천동, 天動)은 번개를 동반하는 대기 방전 현상, 또는 번개가 친 다음에 하늘에 크게 울리는 소리[1]를 가리킨다. '우레', '뇌거'(雷車), '천고(天鼓)', '뇌명(雷鳴)'이라고도 한다. 영어로는 '선더(thunder, / ˈθʌndə(r) /)'라고 한다.

천둥은 번개가 공기를 가로질러가는 것에 의해 생기는 충격파로, 주로 적란운에서 발생하며, 큰 비나 소나기 등 강우에 나타나는 것이 일반적이다. 한반도와 같이 하기에 강수량이 집중된 지역에서는 여름에 자주 들을 수 있고, 울릉도를 제외하면 겨울에는 잘 일어나지 않는다.[2]

번개가 치면 그 순간 번개 주변의 공기는 섭씨 30,000도 가까이 올라가게 된다. 당연히 이렇게 달궈진 공기는 급팽창하고, 이 팽창이 주변에 충격파로 전달되어 굉음이 울려퍼지는 것. 급격한 팽창에 의해 터지는 굉음이란 점에서 원리상으로는 폭탄이나 뻥튀기가 터질때 들리는 파열음과 같다. 번개가 친 근원지의 음압 데시벨은 165~180 dB으로 주변에 있으면 영구적인 청각 손상을 입을 정도로 크고, 현재 기록된 가장 높은 음압 데시벨은 215 dB으로 충격파에 사람이 죽을수도 있다. #

야외에서 천둥소리를 들었다면 가급적 빨리 그 자리를 벗어나 실내나 자동차 안으로 들어가야한다. 천둥소리는 번개가 가까운 곳에서 발생했다는 증거기 때문이다.

순우리말인 우레는 천둥의 동의어이다. 우레를 우뢰(雨雷)라고 쓰면서 한자어라 오해하는 경우가 있으나(우뢰매 등) 잘못된 표기이다. 우레라는 어휘를 분석하면 '울다'나 '울리다'에서 볼 수 있는 '울-'이라는 순우리말을 어근으로 가지는 것을 알 수 있다. 오히려 일견 고유어처럼 생긴 천둥 쪽이 한자어 '천동(天動)'이 변해 생긴 귀화어다. 우뢰는 우레라는 음을 거꾸로 한자를 이용해 나타내려 한 표기로 추정할 수 있다

전통적으로 천둥은 번개를 포함하는 기상 현상 자체를 일컫는 말이었으나, 나중에 서양의 'thunder'과 같은 어휘에 대응되면서 천둥은 소리를 가리키는 것으로, 번개는 방전 현상과 이 때 발생하는 빛을 가리키는 것으로 인식이 바뀌었다.

• 표준국어대사전에서는 천둥을 "뇌성과 번개를 동반하는 대기 중의 방전 현상"이라고 설명한다. 따라서 표준어로는 천둥을 소리로, 번개를 방전되는 전기로 보는 과학적 정의와는 달리 천둥이 번개를 포함하는 상위 집합이다. 실제로 한국어에서는 천둥이 번개를 포괄하는 기상현상을 의미하는 경우가 잦다. '천둥지기'라는 말은 '빗물에 의하여서만 벼를 심어 재배할 수 있는 논'(천수답)을 말하는데, 여기서 천둥은 소리가 아니라 비를 포함한 기상현상을 이르는 것이 분명하다. 그리고 한국어의 언어현상에서도 '천둥소리', '천둥이 친다'라는 표현을 쉽게 접할 수 있다. 천둥이 확실하게 소리를 의미한다고 일반 언중에게 확실히 각인되었다면 '천둥소리'나 '천둥이 친다'라는 말은 생길 리가 없었을 것이다.

  • '천둥'이라는 뜻인 단어가 '번개'까지 포괄하는 현상은 한자문화권 전반에서도 찾을 수 있다. 예를 들면 일본어에서 천둥은 가미나리/카미나리(かみなり, 雷) 혹은 이카즈치(いかずち, 雷)이고 번개는 이나즈마(いなずま, 稲妻)이지만 실제로도 권위 있는 일일사전(일본어-일본어 사전)들을 보면 카미나리를 '전기를 뒤집어쓴 구름과 구름 사이, 혹은 구름과 지표 사이에서 일어나는 방전현상. 전광이 보이고 뇌명이 들린다.(電気を帯びた雲と雲との間、あるいは雲と地表との間に起こる放電現象。電光が見え、雷鳴が聞こえる。)'이라고 설명하였다.(출처) 한국어의 천둥처럼 번개까지 포괄하는 뜻이다. 이카즈치 역시 카미나리와 동의어로 취급하므로 마찬가지이다. 실제로도 일본어에서 카미나리를 '번개'라는 의미로 쓰는 사례 역시 찾을 수 있다. 그러나 과학의 관점에서는 일본어에서도 방전현상은 이나즈마이고, 소리는 카미나리 혹은 이카즈치라고 하는 것이 올바르다. 또한 영어에서 lightning rod(미국식 영어), lightning conductor(영국식 영어)라 칭하는 것을 한국어, 중국어, 일본어 모두 피뢰침(避雷針/避雷针)이라 번역하여 사용하는데, 번개를 엄격하게 일컫고자 한다면 번개 전(電)을 사용해야 맞겠지만 천둥을 의미하는 '우레 뢰'(雷)를 써서 '피뢰침'이라 하였다.

• 반대로 영어를 비롯한 서양권에서는 소리에 해당하는 용어와 방전 현상에 해당하는 용어가 완전히 분리되어 있다. 이들 용어가 기상학적으로 정의된 뒤 각각 천둥과 번개로 번역되었기 때문에 근대 이후에는 아시아에서도 천둥을 소리로, 번개를 방전 현상을 가리키는 말로 구분하는 인식이 확산되었다.

일반적으로 일기예보에서는 천둥과 번개를 묶어 천둥번개라고 쓰이는 경우가 많으나, 번개가 먼저 나타난 후 천둥이 울리기 때문에 순서가 뒤바뀌었다는 의견도 있다. 실제 1980년대에 이 사항을 불만스러워한 한 뉴스 시청자가 천둥번개가 아니라 번개와 천둥이라고 표현해야 맞다고 편지를 써서 보낸 탓에, 방송국에서도 그럼 번개와 천둥이라고 하자고 했지만... 기상 캐스터가 입에 붙은 말을 떼내려다 방송에서 그만 번둥과 천개라는 신조어를 탄생[3]시킨 이후 폐기되었다.