번개—하늘에서 나타나는 무시무시한 힘

세상에서 가장 무시무시한 것 중 하나로서 엄청난 힘을 나타내는 것 즉 번개를 생각해 보자. 대부분의 사람들이 한 두번 정도는 일종의 전기 폭풍이라고 할 수 있는 번개와 그에 따라 일어나는 여러 가지 두려움을 일으키는 현상들 즉 억수같은 비, 눈부신 광선, 굉장한 뇌성 및 다음번에 번개가 칠 것을 불안하게 기대하는 일 등을 경험하였다.

왜 이런 신비한 전기적인 현상이 하늘에서 발생하는지 알고 싶은가? 그러한 두려운 느낌을 일으키는 무서운 힘을 가진 뇌우가 있을 때 어떠한 일이 진행되는가? 번개는 대기중에 나타나는 전기적인 현상이기 때문에 번개가 어떻게 발생하는지를 이해하려면 공기의 전기적 특성을 알 필요가 있다.

전기를 띤 대기

일반적으로 우리가 깨닫고 있지 못하지만 우리 주위의 대기에는 아주 많은 전기가 들어 있다. 그러한 대기의 전위는 놀라울 정도로 높다. 청명한 날씨에는 지표면의 전위가 1‘미터’당 평균 150‘볼트’ 정도로 올라간다. 공기는 지면에 대하여 양전기를 띠며 고도가 높아지면 그 전위도 높아진다.

이것은 당신이 건물이나 나무에서 떨어져 있는 공터에 서 있을 때 머리 높이의 공기는 지표 바로 위 공기보다 더 높은 250‘볼트’가 될 수 있음을 의미한다. 그러면 우리가 이러한 전압을 느끼지 못하는 이유는 무엇인가? 이처럼 높은 전압하에서 많은 전류가 흐른다면 감전으로 인해 사망하게 될 것이다. 그러나 우리는 전혀 전기 충격을 느끼지 않는다. 그 이유는 공기가 아주 훌륭한 절연체이기 때문이다. 우리의 피부는 비교적 전기의 양도체이기 때문에 우리의 몸의 전위가 전체적으로 고르게 유지된다. 정전기를 전달할 수 있는 다른 사물로부터 충분히 절연되고 차단된 매우 민감한 장치로서만 대기의 전위를 측정할 수 있다.

전위가 이러한 비율로 증가된다면 100‘미터’만 올라가도 15,000‘볼트’가 될 것이다. 그러나 성층권 이상의 높은 고도에서는 공기가 전도체가 되기 때문에 전위가 제한을 받는다. 왜 이런 차이가 생기는가? 즉 지상에서는 훌륭한 절연체인 대기가 높은 하늘에서는 양도체가 되는 이유는 무엇인가? 그것은 ‘이온’화 현상 때문이다.

질소든지 산소든지 공기 분자는 일반적으로 중성이다. 이것은 원자핵이 가지고 있는 양전기는 원자핵 주위에 있는 전자의 음전기와 정확히 균형을 이루고 있음을 의미한다. 그러나 전자 하나가 궤도에서 이탈하면 그 분자는 양전기를 띠게 된다. 그 때 그 분자가 ‘이온’화되었다고 한다. 혹은 간단히 그것을 ‘이온’이라고 한다.

이러한 ‘이온’화 현상은 여러 가지 원인에서 생겨날 수 있으나 맑고 낮은 대기 중에서는 대기권 밖으로부터 지구를 맹타하는 우주선이 그 주요 원인이 된다. 높은 ‘에너지’를 가진 입자들이 아주 강력한 힘으로 공기 분자들을 맹타하면 전자들이 이탈하여 양‘이온’이 생기게 된다. 자유롭게 된 전자들은 다른 분자에 부착되어 음‘이온’을 형성하게 된다. 높이가 50‘킬로미터’ 정도의 낮은 곳에서도 충분한 ‘이온’이 생성되어 공기를 양도체로 만든다.

우리는 공기의 이러한 전도성을 가진 공기층을 전기층이라고 부른다. 이것을 전리층에 포함시킨 때도 있었으나 이 후자의 명칭은 전파를 반사하는 100‘킬로미터’ 이상의 더 높은 층에 적용하는 것이 적절하다.

이제 땅도 양도체이다. 이 경우에 전류는 지하수에 용해되어 있는 ‘이온’들에 의하여 이동된다. 물에 용해되어 있는 무기물은 모두가 ‘이온’의 형태로 되어 있다. 그러므로 보통 소금은 양전기를 띤 ‘나트륨’ ‘이온’과 음전기를 띤 염소 ‘이온’을 낸다. 석고는 ‘칼슘’과 황산염 ‘이온’을 형성한다. 모든 지하수에는 다소간에 용해된 무기물이 함유되어 있으며 상당히 건조한 땅에도 약간의 습기가 있다. 그러므로 조그만 흙덩어리는 많은 전류를 이동시키지 않을지라도 지각이 너무나 광대하기 때문에 전체적으로 하나의 양도체를 이룬다.

양도체의 모든 부분은 정전기적으로 동일한 전위를 가져야 한다. 한 곳의 전위가 상승되면 전류가 그곳에서 전위가 더 낮은 부분으로 흘러 전위를 평준화시킨다. 이 점은 지구에 있어서도 마찬가지이다. 전기층에 있어서도 그렇다. 그러나 낮은 곳에 있는 대기는 그 둘 사이에 있는 절연체이다. 그러기 때문에 그 둘 사이에 거대한 전위 차이가 유지될 수 있다. 사실상 이러한 구조는 지구가 음전기를 띠고 전기층은 양전기를 띠는 거대한 축전기라 할 수 있다. 대기를 가로지르는 전위차는 평균 약 삼십만 ‘볼트’에 이른다. 그것은 하루 중 시간에 따라 그리고 연중 달에 따라 상당한 차이가 있다.

완전 절연체인 것은 없다. 아주 민감한 장치를 사용하면 낮은 곳에 있는 대기 중에서도 아주 소량의 전류를 탐지할 수 있다. 땅에 이르는 미량의 우주선 때문에 그것은 약간의 전도성을 띤다. 지구는 여분의 전자들을 가지고 있으며 이러한 전자들은 지면에 있는 수많은 뾰족한 점들로부터 항상 빠져 나오고 있다. 그러한 방전은 나뭇잎의 끝, 풀잎의 끝 그리고 모래알의 뾰족한 모서리 등에서 일어난다. 공중에 높이 솟아 있는 인간이 만든 건축물들은 뾰족한 끝과 지붕 모서리 주변에 전장이 압축되어 있어서 전자가 주로 그러한 점들에서 방출된다. 지구 전체에서 일어나는 조그만 방전을 다 합친다면 한 시간 이내에 지구의 정전기를 전기층으로 완전히 방출시킬 수 있는 전류의 양이 된다. 그러므로 그러한 남아도는 전자들을 계속 지구에 보존시킬 어떤 기계적인 작용이 필요하다. 여기에 번개가 등장하게 되는 것이다.

발전기로서의 뇌우

하늘에는 여러 가지 형태의 구름이 있다. 대부분은 다소 평평하고 수평적인 것이다. 그러나 마치 거대한 꽃양배추처럼 푸른 하늘 높이 파상형으로 솟아오른 아름답고 하얀 뭉게구름이 가장 감탄을 불러 일으킨다. 기상 조건이 맞을 때는 거대한 뭉게 구름이 계속 커져서 성층권을 향해서 수천 ‘미터’를 오르고 동시에 아랫 부분이 넓어진다. 그리하여 그것은 소나기 구름이나 뇌적운이 된다. 온전히 발전되면 그 꼭대기는 퍼져서 새털과 같이 되는데 흔히 볼 수 있는 모루의 윗부분을 닮게 된다. 그것은 멀리서 보면 아름답지만 뇌적운 아래 있는 사람에게는 시커멓고 위협적인 구름 덩어리인 것이다. 얼마 있지 않아 억수같은 비 혹은 때때로 우박을 동반한 비가 아래 있는 땅을 흠뻑 적신다.

이것이 바로 번개와 천둥을 일으키는 구름이다. 그것은 8 ‘킬로미터’에서 18‘킬로미터’까지 높이 솟아 삼천 평방 ‘킬로미터’ 정도의 지역을 덮은 거대한 하늘의 발전기라고 할 수 있다. 구름 내부에는 격렬한 상승 기류와 하강 기류가 있어서 시속 40 내지 100‘킬로미터’의 속도로 물방울과 얼음 결정을 이동시킨다. 구름이 뒤틀리고 회전하고 파도 모양을 이루고 부푸는 동안 비, 얼음, 진눈깨비, 우박 등의 무수한 알맹이가 오르락 내리락 한다.

물론 물과 얼음에 계속 작용하는 중력이나 기타 이유로 마찰이 생겨 전자와 ‘이온’들이 공기, 물, 얼음 등의 접촉면에서 떨어져 나간다. 그 알맹이들은 빠른 바람에 의해 분리된다. 이러한 바람에 의해 양전기를 띤 알맹이들은 구름의 꼭대기로 이동되고 음전기를 띤 알맹이를 가진 빗방울은 아래로 미끄러져 내려간다. 꼭대기와 밑바닥의 전위차는 구름이 성숙해 가면서 계속 증가된다. 결국에는 엄청나게 많은 전기량 때문에 “불안한 상태에 있게” 된다. 그 구름은 그 내부에서 발생된 수억 ‘볼트’를 제거할 방법을 모색하게 된다. 공기의 절연성은 단지 상당한 전기적 압력을 견딜 수 있을 뿐이다. 그것은 마침내 파괴되고 눈을 부시게 하는 번갯불은 극적으로 그 긴장 상태를 해소시킨다.

전세계적으로 동시에 삼천번 정도의 뇌우가 발생한다고 추산된다. 이 대부분은 육지 위에서 발생한다.

많은 번개가 구름내에서 발생되고 있다. 그러나 구름 밑바닥에 생긴 음전기가 지구의 정상적인 전위를 훨씬 더 능가하게 되면 번갯불이 땅에까지 번쩍이게 되고 전자를 지구로 이동시킨다. 구름이 사라지게 되면 그 꼭대기에 있는 양전기는 전기층으로 흡수된다. 그 후 개인 날씨가 되면 양‘이온’이 대기를 통해 빠져나와 지구에 이르러 음전기를 중화시키고 음‘이온’은 상승하여 전기층에 들어가 그것을 중화시킨다. 그렇게 되면 그 순환이 완료된다.

번개가 형성되는 방법

구름 내부에서 일어나는 번개에 대해서 연구하는 것은 어려운 일이다; 과학자들이 정밀한 기구를 가지고도 쉽게 연구하기 어렵다. 그러나 땅에 이르는 번개는 볼 수 있고 고속 사진기로 사진을 찍을 수 있기 때문에 과학자들은 번갯불이 점차 증강되어 가는 것에 관하여 많은 것을 알게 되었다. 이제 그러한 점들을 살펴보자.

전기적으로 공기를 파괴하는 실험에 의하면 번갯불은 전장의 강도가 ‘미터’당 약 3백만 ‘볼트’에 달했을 때에 시작된다. 우주선에 의하여 항상 자유로운 상태에 있는 소수의 전자들이 그처럼 높은 전압을 가진 상태를 향해 돌진하면 그 전자들은 부딪치는 중성 분자들로부터 다른 전자들이 튀어 나오게 한다. 이제 이러한 전자들은 가속화되어 새로운 분자들과 충돌하고 그 분자들을 ‘이온’화되게 한다. 그러므로 문자 그대로 전자 사태가 증강되어 구름의 음전기로부터 떨어져 나가면 그에따라 양‘이온’들이 생기게 된다. 이로 인해 공기의 저항이 약화되며 번개의 진행로가 절연막에 뚫어지게 된다.

백만분의 몇초 동안에 일어나는 상황을 담을 수 있는 사진기를 이용하면 이러한 과정이 단계적으로 진행됨을 알 수 있다. 단계적인 “선구자”가 구름에서 순간적으로 공기의 저항이 더 약한 곳으로 나오면 전자 사태가 약 50‘미터’를 전진한다. 그 다음에 그것은 말하자면 “숨이 차”서 그 끝에서 힘이 증강되는 동안 순간적으로 쉰다. 약 백만분의 50초 후에 그것은 ‘이온’화된 공기의 저항에 따라 아마 아까와는 다른 방향으로 다시 나아간다. 그리하여 점차적으로 연속적인 ‘선구자’들에 의해 지구를 향하여 폭이 1 내지 10‘미터’되는 강력히 ‘이온’화 된 공기의 길이 열리게 된다.

공기가 다른 곳보다 어떤 곳에서 더 많이 ‘이온’화가 되면 ‘선구자’의 굽이치는 그 길이 모든 유리한 변화에 따라 뒤틀리고 굽어진다. 그래서 번개가 어떤 방향으로 진행할 때 항상 지구에 이르는 가장 용이한 길을 모색함으로써 다양한 가지들을 뻗기 때문에 흔히 가지 모양을 갖게 된다. 목표에서 50‘미터’이내로 접근하게 되면 일종의 빛의 흐름이 그것과 만나기 위해 지상의 유리한 지점으로부터 올라 온다. 이제 회로는 완성된 것이다. 구름은 감당할 수 없는 여분의 전자들을 제거할 수 있는 통로를 가지게 된 것이다.

첫째로 지상에 가장 가까운 통로에 있는 그러한 전자들이 몰려 오면 그 직후에 위로부터 전자들이 몰려 오게 된다. 그러면 이제는 밝게 빛나는 복귀 방전이 거의 빛에 가까운 속도로 구름을 향하여 이른다. 그 ‘선구자’들이 지상에 이르려면 백분의 2초 걸릴 수 있지만 귀환류는 단지 백만분의 70초만에 구름에 이르게 된다. 이제 아마 백만분의 40초 동안에 그 구름은 만 내지 2만 ‘암페어’ 이상의 전류를 방출한다. 이 짧은 순간에 그것은 수십억 ‘킬로와트’의 전력을 발생한다.—지구의 모든 발전소의 발전량을 합친 것보다 더 많은 동력이다. 참으로 그것은 무시무시하고 강력한 힘의 전시라고 할 수 있다.

그러한 현상은 신속히 사라지지만 그것으로 그 작용이 끝나는 경우는 드물다. 공기 사이로 난 번개의 통로는 강력히 ‘이온’화된 상태로 계속 있다. 그 구름의 다른 부분에 아직도 심하게 충전되어 있는 전기는 방전한 곳으로 몰리고 이것은 땅에까지 아직도 연결되어 있는 통로를 따라 계속 진행하게 된다. 그리하여 일반적으로 서너번의 연속적인 방전이 있지만 너무 빨리 반복되기 때문에 마치 한번의 번쩍임처럼 보이는 것이다. 어떤 때는 구름이 그 충전된 전기를 다 방출하기 위하여 열 두번 이상의 방전이 있게 된다.

이제 단지 5분의 1초 동안에 번개가 번쩍이는 일을 마친 것이다. 이제 ‘다 끝나고 외치는 일이 남았다.’ 그것이 곧 뇌성이다. 번개에서 어느 정도 떨어져 있느냐에 따라 쾅하는 소리, 우르르 하는 소리, 구르릉 하는 소리를 들을 수 있다. 번개의 통로에 있는 두께가 몇 ‘센티미터’밖에 안되는 좁고 굽은 공기의 통로는 섭씨 3만도 이상으로 가열된다. 전류가 사라지면 이 초과열된 공기의 기둥은 초음속으로 폭발적인 팽창을 한다. 이러한 팽창으로 인한 충격파가 천둥을 일으키는데 그러한 천둥 소리는 25‘킬로미터’ 정도 떨어진 곳에서도 들을 수 있다.

창조주께서 왜 구름 속에서 번개가 발생하게 하셨는지 궁금할지 모른다. 어떠한 유익이 있는가? 매우 유익하다. 그것은 천연적인 질소의 순환에 중요한 역할을 한다. 질소는 생명에 필수적이며 대기중에는 그것이 엄청나게 많이 들어있다. 그러나 생물들은 그것을 직접 이용할 수가 없다. 그렇지만 번개의 강렬한 열 때문에 질소와 산소 분자가 원자로 쪼개지며 그것들이 식을 때 많은 원자들이 결합하여 질소의 산화물을 형성한다. 이러한 화합물은 비에 용해되어 토양으로 이동되게 된다. 거기에서 질산염으로 변화되어 자라는 식물에 필수적인 비료가 된다. 이것은 질소를 천연적으로 고정시키는 주요 과정이다. 수억 ‘톤’의 질산염이 매년 뇌우에 의하여 공급되는 것으로 추산된다.

번개와 생활

번개가 칠 때 사실상 불안을 느낄 만한 이유가 있다. 그것은 엄청난 잠재적인 파괴력을 가지고 있기 때문이다. 번개는 나무나 전봇대를 산산조각내고 지붕이나 벽에 구멍을 뚫고 많은 삼림이나 건물에 화재를 일으킨다. 종종 나무로 흐르는 전류가 너무 강렬하여, 순간적으로 그 나무에 있는 습기가 증발되고 초과열된 증기 때문에 문자 그대로 그 나무가 산산조각이 되어 버리는 경우가 있다.

또한 번개로 인하여 생명체가 죽을 수 있다. 뇌우가 있을 때 나무 아래로 피한 동물들이 번개 때문에 죽는 일이 종종 있다. 종종 사람들도 특히 해변이나 ‘골프’장에서 그런 일을 당하는 경우가 있다. 그러한 곳에 나무들 밖에 없다면 그러한 나무들이 번개의 표적이 되기 쉽다. 뇌우를 만나게 되면 외따로 서 있는 나무 아래로 피하지 말라. 숲에서는 키 큰 나무에서 떨어져 있으라. 철사로 만든 울타리, ‘파이프’선, 철로 등을 피하라. 산꼭대기보다는 골짜기가 더 안전하다.

자주 번개가 일어나는 지역에 살고 있다면 집을 보호하기 위해 피뢰침을 다는 것이 좋을 것이다. 그것이 효과적이 되려면 접지(接地)를 잘하여야 한다. 뾰족한 피뢰침이 굵은 철사(건물과 절연되어 있는)와 연결되어 있고 그 철사가 잘 묻어진 철사줄이나 판에 연결되어 있다면 번개를 유도하여 땅으로 이끌기 때문에 해가 없게 된다. ‘텔레비젼’ ‘안테나’와 집안으로 들어 오는 전기선도 피뢰침으로 보호할 수 있다.

뇌우가 있을 때 자동차나 기차를 타고 있다면 걱정할 필요가 없다. 금속으로 된 차체가 전류를 분산하여 땅으로 유도한다. 마찬가지로 비행기를 타고 있는 사람들도 번개로부터 보호를 받는다. 비행기가 번개를 맞는 일은 흔히 있으며 때때로 금속 거죽에 작은 구멍이 뚫리는 때가 있지만 직접 번개로 인하여 비행기가 추락했다고 보고된 예는 없다. 물론 뇌우가 칠 때 강력한 바람과 관련된 기상 상태로 인하여 위험할 수 있기 때문에 조종사가 그러한 곳에서 멀리 떨어져 있도록 조종하는 것이 현명하다.

이러한 경고를 받아들이면 다음번에 뇌우가 있을 때는 마음을 편히 가지고 창조주의 엄청난 능력이 나타내는 현상을 즐길 수 있다. 그리고 번개가 어떻게 형성되는가를 알기 때문에 두려운 느낌을 불러 일으키는 하늘의 그러한 힘에 대한 인식이 높아지게 된다.

[20면 도표]

전형적인 번개

길이: 5‘킬로미터’

한번 칠 때 방전하는 수: 세번 내지 네번

최고 전류: 2만 ‘암페어’

‘볼트’ 수: 1억 ‘볼트’

최고 전력: 2십억 ‘킬로와트’

지속 시간: 1/5초

[17면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

지구—대기간의 전기적 순환

전자의 흐름 순환

강력한 양전기 (전자의 부족)

강력한 음전기 (전자의 과잉)

번개

갠 날씨 때의 ‘이온’의 흐름

약한 양전기 (구름에서 나온 전자)

약한 음전기 (여분의 전자)