현대 물리학이 답하지 못하는 ‘번개의 실체’ 3대 궁금증

흔히 복권에 당첨될 확률을 떨어지는 번개(낙뢰)에 맞을 확률에 비교한다. 그만큼 일어나기 힘든 일이라는 뜻이다. 하지만 낮은 확률에도 불구하고 거의 모든 복권에 (때로는 여러 명이 한꺼번에) 당첨자가 나오듯 낙뢰로 인한 사고 역시 끊이지 않는다. 지난 6일 스리랑카에서 봉사활동을 하던 한국 청년 2명이 낙뢰사고로 목숨을 잃는 등 전 세계적으로 매년 수만명이 낙뢰로 인한 피해를 입는다. 그리스·로마 신화에서 주신인 제우스(주피터)의 무기로 설정될 정도로 오래 전부터 사람들은 번개에 경외심과 두려움을 갖고 있었다. 전 세계 어느 곳에서나 ‘번개는 신의 분노’라고 여기는 전설이 존재하는 것도 이와 무관하지 않다.

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미국 펜실베이니아 주 다우닝타운에 있는 한 공장 위로 번개가 치고 있다. 전 세계적으로 초당 100건의 낙뢰가 발생하지만 번개의 정체는 여전히 미스터리에 싸여 있다.
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번개는 아주 흔하게 일어나는 자연현상이다. 디스커버리 뉴스에 따르면 매일 평균 전세계에서 4만 4000건의 폭풍이 발생하고, 초당 100개의 번개가 지상으로 떨어지는 낙뢰가 발생한다. 이런 번개의 정체가 자연현상이라는 것이 밝혀진 것은 18세기에 이르러서다. 미국의 과학자이자 정치가인 벤저민 프랭클린은 1750년 ‘번개는 전기의 일종’이라는 가설을 세우고 이를 입증하기 위한 실험 계획을 발표했다. 1752년 프랭클린은 천둥과 번개가 치는 날 금속열쇠를 매단 연을 하늘에 띄우는 이른바 ‘연의 실험’을 실행에 옮겼다. 프랭클린은 이 방식으로 번개에서 발생한 전기를 ‘라이덴병’(전기를 저장할 수 있는 유리병)에 가둠으로써 자신의 가설을 입증했다. 프랭클린은 이 원리를 이용해 번개가 땅으로 떨어지지 않게 지상의 전기를 끊임없이 방전시키는 피뢰침을 최초로 발명하기도 했다. 피뢰침은 ‘프랭클린의 막대’라는 이름으로도 불린다.

과학이 발전하면서 인류는 번개의 실체에 도전하기 시작했다. 물리학과 기상학자들이 생각하는 원리는 이렇다. 번개와 천둥은 적란운으로 불리는 소나기구름에서 발생한다. 두께가 6~8㎞에 이르는 두꺼운 적란운은 낮은 쪽은 물방울, 꼭대기 쪽은 얼음알갱이로 이뤄진다. 지표면이 가열되면 구름의 물방울은 상승기류로 인해 파열되고, 파열된 물방울은 양(+)전기의 성질을 띠고(대전), 주위의 공기는 음(-)전기 성질로 바뀐다. 양으로 바뀐 물방울은 구름 속에서 위로 올라가는데, 이 과정에서 구름 속에 있는 양전기(+)와 음전기(-)가 서로 충돌하거나 구름의 아래쪽에 남아 있는 음전기가 지면의 양전기와 서로 부딪치면서 번개를 만든다. 구름과 구름 또는 구름과 대지 사이에서 일어나는 방전현상이 곧 번개다.

번개가 치면 순간적으로 온도가 3만도 가까이 상승하는데, 이 열 에너지에 의해 주위의 공기가 급격히 가열돼 부피가 팽창하면서 나는 소리가 바로 번개의 짝인 천둥이다.

하지만 피뢰침의 발명에도 불구하고 번개를 막거나 피하는 기술은 완벽하지 않다. 이는 아직까지 번개에 대해 과학자들이 밝혀내지 못한 부분이 많다는 뜻이기도 하다. 물리학자들은 번개의 원리를 잘 알고 있다고 믿지만 번개의 실체에 대한 근본적인 3가지 질문의 답을 여전히 찾지 못하고 있다.

우선, 구름이 어떻게 거대한 에너지를 갖게 되는지가 의문이다. 양전기와 음전기가 상호작용해 전기가 발생하는 것은 확실하지만 물방울과 얼음에 불과한 구름이 번개를 뿜어낼 수 있을 정도로 전기를 충전할 수 있는 원리는 현재 인류가 이해하고 사용하는 발전이나 충전 기술로는 설명할 수 없다. 현재 과학자들은 우주에서 쏟아지는 ‘우주선’(Cosmic rays)이 구름에 영향을 미치는 것으로 추정하고 있다. 전하를 가진 우주선이 구름 속에 파고들면서 양전기와 음전기의 대전 현상을 가속화한다는 것이다. 하지만 이 역시 입증되지 않은 가설일 뿐이어서 과학자들은 번개를 ‘무유도 저항 충전메커니즘’이라고 부르고 있다. 중학교 물리시간에 배운 ‘패러데이의 원리’에서 알 수 있듯이 유도작용이 없는 저항이나 전기발생은 불가능하다는 관점에서 구름의 충전은 여전히 미스터리로 남아 있다.

‘번개는 어떻게 시작되는가’ 역시 답이 없다. 전기가 번개와 같은 형태로 방출되기 위해서는 구름 내에 형성된 거대한 자기장이 지속적으로 매우 불안정한 상태를 유지해야 한다. 하지만 과학자들이 인공번개를 만들어 실험한 결과 끊임없이 움직이는 구름 속에 형성되는 자기장은 번개를 방출하기에는 턱없이 부족하다. 또 인공번개의 경우 형성된 자기장 안에 ‘스파크’를 주는 방식으로 만들어지지만 구름 속에서 왜 번개로 이어지는 스파크가 생겨나는지도 밝혀지지 않았다.

마지막 미스터리는 번개가 어떻게 그 힘과 빛을 유지하며 수십㎞ 이상의 거리를 날아갈 수 있느냐이다. 구름 속에는 전기의 길을 만들어주는 절연체나 안내장치가 없기 때문이다. 과학자들은 번개의 실체를 파악하면 물리학의 영역이 크게 넓어질 것으로 믿고 있다. 번개 연구의 세계적 권위자인 조 다우어 미국 플로리다기술연구소 박사는 “10년 전 학자들은 번개에서 이전에는 상상하지 못했던 X선과 감마선이 나온다는 사실을 발견했고, 몇 년 전에는 번개와 폭풍우를 인공적으로 만들기도 했다.”면서 “번개의 정체에 점점 다가가고 있는 것은 분명하다.”고 설명했다.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr