번개는 어떻게 만들어지나, 구름 속 전하 분리

번개는 뇌우 구름 속에 쌓인 거대한 전기가 한꺼번에 흐르는 방전이다. 구름 속에서는 강한 상승 기류를 타고 얼음 알갱이와 우박 같은 입자들이 서로 부딪치며 전기를 주고받는다. 가벼운 얼음 결정은 양전기를 띠고 구름 위쪽으로, 무거운 싸락우박은 음전기를 띠고 아래쪽으로 모인다. 이렇게 갈라진 전기의 차이가 공기가 견딜 수 있는 한계를 넘으면, 순식간에 전류가 흐르며 번개가 친다.

구름은 어떻게 전기를 모으나

번개를 만드는 구름은 키가 큰 적란운이다. 적란운 안에서는 따뜻하고 습한 공기가 빠르게 솟구친다. 높이 올라간 수증기는 얼어 작은 얼음 결정이 되고, 일부는 물방울이 얼어붙으며 싸락우박이 된다. 싸락우박은 얼음 결정보다 무거워 상승 기류 속에서도 아래로 떨어지려 하고, 가벼운 얼음 결정은 위로 올라간다.

이 둘이 오르내리며 부딪칠 때 전기가 옮겨 간다. 실험실에서 얼음과 우박을 부딪쳐 본 결과로는 온도와 물기의 양에 따라 어느 쪽이 어떤 전기를 얻는지가 정해진다. 전형적인 뇌우에서는 구름 위쪽에 양전기가, 중간과 아래쪽에 음전기가 모인다. 구름은 거대한 전지처럼 위아래로 전기가 갈라진 상태가 된다.

번개는 어떤 순서로 치나

공기는 원래 전기가 잘 통하지 않는다. 그런데 전기의 차이가 아주 커지면 공기 분자가 부서지며 전기가 흐를 수 있는 길이 생긴다. 구름 아래쪽의 음전기가 땅으로 내려가는 번개는 대체로 다음 순서로 일어난다.

단계	일어나는 일
계단형 선도	희미한 방전이 구름에서 땅으로 계단을 밟듯 조금씩 내려온다
마중 방전	땅의 뾰족한 물체에서 위로 짧은 방전이 솟는다
귀환 뇌격	두 방전이 만나면 길이 이어지며 강한 전류가 땅에서 구름으로 치솟는다

우리가 보는 눈부신 번개는 마지막 귀환 뇌격이다. 이때 번개가 지나는 통로의 온도는 순간적으로 약 3만 도까지 오른다. 태양 표면보다 몇 배 뜨겁다. 한 번의 번개에서 같은 통로를 따라 여러 차례 방전이 되풀이되기도 하는데, 번개가 깜빡이듯 보이는 것은 이 때문이다.

천둥은 왜 번개보다 늦게 들리나

번개의 통로가 순식간에 엄청나게 뜨거워지면 그 안의 공기가 폭발하듯 팽창한다. 이 급격한 팽창이 만드는 압력의 파동이 천둥이다. 빛은 거의 즉시 도착하지만 소리는 1초에 약 340미터밖에 가지 못한다. 그래서 번개를 보고 천둥이 들리기까지의 시간을 세면 번개가 친 곳까지의 거리를 어림할 수 있다. 3초쯤 걸렸다면 약 1킬로미터 떨어진 곳이다.

번개는 왜 높은 곳에 잘 떨어지나

번개가 땅에 닿기 직전 마중 방전은 주변보다 높이 솟은 뾰족한 물체에서 잘 생긴다. 뾰족한 끝에는 전기장이 집중되기 때문이다. 그래서 높은 건물, 나무, 산꼭대기에 번개가 자주 떨어진다. 피뢰침은 이 성질을 이용해 번개를 일부러 끌어들인 뒤 땅으로 안전하게 흘려보내 건물을 지킨다. 넓은 들판에서 뇌우를 만났을 때 혼자 우뚝 서 있거나 큰 나무 아래에 숨는 것이 위험한 것도 같은 이유다.

번개는 땅으로만 치지 않는다. 실제로는 구름 안이나 구름과 구름 사이에서 치는 번개가 땅으로 떨어지는 번개보다 훨씬 많다. 구름 위 높은 하늘에서는 붉은 해파리 모양의 스프라이트 같은 짧은 발광 현상도 관측된다. 이런 현상들은 비행기와 인공위성의 관측으로 존재가 확인되었다.

아직 밝혀지지 않은 것

구름 속에서 전기가 갈라지는 큰 그림은 알려져 있지만, 처음에 공기의 절연을 깨고 방전을 시작하게 하는 계기가 무엇인지는 여전히 논쟁거리다. 구름 속에서 측정한 전기장의 세기는 공기를 부수기에 이론적으로 부족한 경우가 많다. 우주에서 날아온 입자가 방전의 씨앗이 된다는 가설 등이 제시되었지만, 아직 결론이 나지 않았다.