[과학향기 for kids] 폭우와 함께 우르릉 쾅, 번쩍! 천둥 번개의 원리는? : KISTI의 과학향기

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[과학향기 for kids] 폭우와 함께 우르릉 쾅, 번쩍! 천둥 번개의 원리는?

<KISTI의 과학향기> 제3082호 2024년 07월 29일

7월 한 달 동안 천둥 번개를 동반한 폭우가 자주 내리고 있어요. 천둥 번개는 우리 몸을 절로 움찔하게 할 뿐만 아니라 실제로 매우 위험합니다. 지난 7월 16일, 전남 지역에는 하루에 약 4500번 벼락이 쳐 정전 등의 피해가 발생하기도 했어요. 그렇다면 천둥 번개는 어떤 원리로 생기는 걸까요?

그림 1. 폭우와 함께 천둥 번개가 자주 발생하고 있다. ⓒshutterstock

천둥 번개는 구름에서 생긴다!
번개가 치는 날 하늘을 올려다보면, 하늘에 두껍고 시커먼 먹구름을 볼 수 있습니다. 이 구름을 ‘적란운’이라고 하는데요, 소나기를 내리게 하는 대표적인 구름입니다. 번개는 바로 이 적란운에서 자주 생긴답니다.

적란운은 작은 물방울과 얼음 알갱이로 이뤄져 있는데요, 이들이 서로 움직이고 부딪치면서 정전기가 일어납니다. 그래서 각각 양전하(+)와 음전하(-)를 갖게 되죠. 이때 양전하는 구름의 위쪽으로, 음전하는 아래쪽에 모입니다. 그런데 자석의 양극과 음극처럼, 양전하와 음전하는 서로 매우 강한 힘으로 끌어당기는 성질이 있어요. 이 과정에서 순간적으로 전류가 흐르는 현상이 일어나는데요, 이것이 바로 번개입니다.

대부분의 번개는 구름 안에서나 구름과 구름 사이에서 발생합니다. 그런데 일부는 우리가 보는 것처럼 땅으로도 떨어져요. 이렇게 땅으로 치는 번개를 ‘벼락’이라고 부릅니다. 구름 아래쪽에 쌓인 음전하가 땅에 있는 양전하와 강하게 끌어당기면서 번개가 치는 거예요. 양전하는 주로 뾰족하고 높은 첨탑이나 나무 등에 많아 이런 곳에 벼락이 잘 친답니다.

그림 2. 적란운 아래쪽에 쌓인 음전하(1)가 땅 위의 양전하와 만나(2) 전류가 흐르는 것(3)이 번개(벼락)다. ⓒNOAA

번개가 칠 때는 최대 10억 볼트, 약 3만℃에 달하는 엄청난 열과 빛이 발생합니다. 이 온도는 태양 표면보다 5배나 더 뜨거운 온도인데요, 이렇게 순간적으로 뜨거워진 공기는 팽창하면서 폭발을 일으킵니다. 이때 나는 ‘우르릉 쾅쾅’ 소리가 바로 천둥입니다. 천둥과 번개는 거의 동시에 발생하지만, 빛이 소리보다 더 빠르기에 우리 눈에 번개가 먼저 보이고, 몇 초 후 천둥소리가 들리는 거랍니다.

드물지만, 벼락과 반대로 땅에서 하늘로 거꾸로 치는 번개도 있어요. 벼락이 내려친 후나, 혹은 겨울에 적란운이 생겼을 때, 땅에 음전하가 모여있다가 구름에 있는 양전하를 향해 거꾸로 치는 번개가 생깁니다. 이 번개는 땅으로 내려치는 번개보다 더 강력하다고 알려져 있어요.

화산 번개부터 구름 위에서 치는 번개까지, 다양한 번개들

그런데 이런 번개 외에도, 다양한 곳에서 번개가 만들어집니다. 대표적인 곳이 화산이에요. 화산이 폭발할 때, 화산재가 솟구치며 번개가 칩니다. 이때 만들어지는 번개도 구름에서 만들어지는 원리와 같은데요, 대신 구름 속 물방울과 얼음 알갱이가 아닌, 작은 화산재 알갱이들이 서로 부딪혀 생깁니다.

그림 3. 화산이 폭발할 때, 작은 화산재 알갱이들이 부딪히는 과정에서 번개가 친다. ⓒshutterstock

구름보다 높은 곳에서 치는 번개들도 있어요. 이들은 지구 상층 대기에서 발생해 ‘상층 대기 번개’라고 부르는데요, 여러 종류가 있습니다. 우선 구름 꼭대기에서 높이 40~50km까지 솟아오르는 파란 번개, ‘블루 제트’가 있어요. 이보다 더 높은 곳에서는 ‘스프라이트’라 불리는 붉은색의 번개가 칩니다. 해파리나 기둥 모양 등 특이한 모양으로 나타나죠. 마지막으로 지구 대기 가장 꼭대기에서는 ‘엘브스’라 불리는 번개가 칩니다. 지름 약 400km의 거대한 도넛 모양으로 나타나는 특이한 번개입니다.

다만 상층 대기에서 나타나는 번개들은 아주 짧은 시간에 나타났다 사라지기 때문에 관측이 매우 어렵습니다. 그래서 아직 밝혀지지 않은 사실들이 많죠. 과학자들은 신비한 번개의 비밀을 밝히기 위해 오늘도 열심히 하늘을 관측하며 연구하고 있답니다.

※ 교과서 연계 - 이번 과학향기 에피소드는 어떤 교과 단원과 관련돼 있을까?

5학년 2학기 과학 - 날씨와 우리 생활
6학년 2학기 과학 - 전기의 작용

글: 오혜진 동아에스앤씨 기자/일러스트: 감쵸 작가

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