장관을 이루는 하늘 흥행

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어린이들은 매우 안전한 가운데 연을 날린다. 벤저민 프랭클린은 연을 날리다가 목숨을 잃을 뻔하였다. 어린이들은 재미있게 연을 날린다. 프랭클린은 위험을 무릅쓰고 연을 날렸다. 1752년에 그는 실크 연을 뇌우 속으로 날렸는데 열쇠에서 스파크가 일어났다. 무해했던 그 스파크는 치사적인 벼락이 될 수도 있었다. 하지만, 그렇게 된 것이 아니라, 프랭클린은 연을 날리다가 행복한 결과—피뢰침 개발—를 얻게 되었다. 그러나 그후 오랫동안 번개 자체는 신비로 남아 있었다.

이해를 향한 도정(道程)이 한 세기 전에 시작되었지만, 아직도 완전한 이해는 어려운 실정이다. 번개는 구름 속에서, 구름과 구름 사이에서 혹은 땅과 구름 사이에서 일어날 수 있다. 하지만 어떻게 양전하(陽電荷)와 음전하(陰電荷)가 생겨 방전을 하게 되는가? 이론에 의하면 장엄한 모루구름—상승 기류와 하강 기류의 난류 속에서, 거대한 꽃양배추 머리처럼 파상형으로 수킬로미터 솟아오르는 구름—속에서 빗방울과 작은 얼음 조각들이, 작은 물방울 및 빙정으로 된 안개와 충돌할 때 전하가 생긴다고 한다.

이 소란스런 활동에 관해, 「사이언티픽 아메리칸」지에 실린 “뇌우의 대전(帶電)”이라는 기사에서는 이렇게 논평한다. “그러한 활동들 이면의 기본 미시 물리학은 오늘날까지 소홀히 다루어진 미해결 문제로 남아 있다. 정대전(靜帶電)에 관한 미시 물리학상의 설명이 부족한 것은 뇌운 전기에 관한 이해에 있어서 가장 중대한 결함이다.” 하지만, 그 기사는 매우 흥미있는 유추를 이렇게 제공한다. “그러한 활동의 바탕이 되는 물리 구조는, 융단 위를 걸을 때 구두에 대전을 일으키거나 유리 막대를 모직물에 문지를 때 막대에 대전을 일으키는 것이면 어느 것이든 으레 관련이 있을 것이다.”

모루구름에서 번개가 일어나는 원인이 여전히 토론되고 있는 동안 번개는 빈번하게 일어난다. 「리더스 다이제스트」지의 한 기사는 이렇게 논평했다. “독자가 이 글을 읽고 있는 바로 이 순간에도 대략 1,800건의 뇌우가 세계 도처에서 진행중에 있다. 그로 인해 매초에 약 600번의 번갯불이 발생하는데, 그중 100건은 지면을 때린다. 그러니까 24시간마다 대략 850만번 번개가 내리치는 셈이다.” 「사이언티픽 아메리칸」지에서도 거의 일치한 수—800만번—를 지적한다.

실제로 볼 수 있는 번갯불은 다음과 같은 사건들의 절정으로 등장한다. 뇌운은 그 밑부분에 음전하를 일으키는데, 음전하는 구름 밑 지표가 양전하를 띠게 한다. 이 양전하는 구름을 밑에서 따라가다가, 나무, 언덕, 높은 건물, 심지어 사람을 타고 올라가 구름 밑 부분의 음전하에 닿으려고 한다. 구름에 1억 볼트 전위—무려 3억 볼트가 될 수 있음—가 축적될 때 그 에너지는 단형(段型) 선구 방전이라고 불리는 것으로 뻗어 나간다. 나가는 진로는 불규칙하며 뻗어 내려가면서 많은 가지를 형성한다.

흥행이 시작되다

사람이 볼 수 없을 정도로 희미한 격자 모양의 스트리머에 수백 암페어를 지닌 선구 방전이 지표 가까이—백미터 혹은 그 이하—접근한다. 이제 땅 위의 양전하는 마침내 간격을 껑충 뛰어넘을 수 있으며 단형 선구 방전을 만나, 돌연 엄청난 빛을 발하면서 선구 방전이 남긴 통로를 따라 구름에 이른다. 그러한 일이 진행될 때, 양전하는 외부 경로들과 잘못 구부러진 부분들을 채워, 우리에게 익숙한 불타는 다경로 패턴—구름에서 땅으로 오는 것같이 보이지만 실제로는 땅에서 구름으로 가는 번개—을 형성한다. 그러나 이 최초의 섬광이 있은 직후, 번개와 선구 방전은 반복하여 구름과 땅을 왕래한다. 전형적인 번갯불은 그러한 방전을 서너 차례 하지만, 「사이언티픽 아메리칸」지는 26차례 방전을 한 경우를 보도하였다!

번개는 자연계에서 가장 큰 소리 중 하나인 천둥을 일으킨다. 하지만 본질적으로 순간적인 한번의 천둥을 일으키는 한번의 번개가 그후 수초에 걸쳐 꽝하는 찢어지는 듯한 소리와 우르릉하는 굉음을 어떻게 연속적으로 일으킬 수 있는가? 번개가 뇌성을 일으키는 것은 신비한 일이 아니다. 공기는 전기 저항을 가지고 있어서, 전류가 흐르면 전선의 경우와 똑같이 가열된다. 번개는 주변 공기를 섭씨 30,000도까지 가열시켜, 10 내지 100기압의 압력을 가진 강력한 충격파로 급속히 팽창시키는데, 이제 충격파는 곧 음속 폭음—천둥—이 된다. 소리는 빛보다 훨씬 더 느리게 진행하기 때문에, 보통 번개가 친 후 수초가 지나서 천둥 소리가 들리는 것은 신비한 일이 아니다.

“작은 천둥들”이 큰 천둥을 이룸

그런데 천둥 소리가 그렇게도 다양한 이유는 도대체 무엇인가? 번개는 들쭉날쭉한 진로로 진행하지만, 다양한 길이의 여러 마디들은 비교적 직선적이다. 그러한 마디들은 각각 방향을 서로 달리하고, 길이가 서로 다르고, 제각기 고유한 소리를 내며, 자체의 방향과 거의 평행한 파동으로 소리를 발한다. 그러므로 음량과 방향이 다양한 개개의 “작은 천둥들”이 많이 모여, 우리가 하나의 크고 긴 뇌성에서 듣게 되는, 꽝하는 소리와 우르릉하는 소리 그리고 그 반향음을 내게 된다. 그 작은 천둥들은 모두 거의 동시에 들리지만, 듣는 사람에게서 가장 가까운 곳에 있는 것이 제일 먼저 들리면서 가장 크게 찢어지는 듯한 소리를 내고, 벼락 위쪽의 보다 멀리 있는 것들은 그 후에 가세를 하는데, 얼마나 후에 가세하는가는 얼마나 멀리 떨어져 있는가에 달려 있다. 따라서, 「사이언티픽 아메리칸」지는 “천둥”이라는 제목의 기사에서 이렇게 설명한다. “천둥이 칠 때 들리는 소리는 천둥을 일으킨 특정 번갯불의 특성에 크게 달려 있다.”

번갯불에는 여러 다른 종류가 있어서 다양한 천둥을 일으키는데, 사람이 들을 수 있는 천둥도 있고 들을 수 없는 천둥도 있다. 예를 들면, 선(線) 번개, 리본형 번개, 차상(叉狀) 번개, 열 번개, 막전(幕電), 구름속 번개, 마른 번개 및 초전광이라고 불리는 번개들이 있다. 평범한 번개는 약 10억 와트를 방전하지만, 최근에 발견된 진기한 번갯불인 초전광은 1,000억 와트에서 10조 와트까지도 낼 수 있다!

번개는 해를 끼친다. “미국에서만도 매년 번개로 인해 약 150명이 사망하고 2,000만 달러어치의 재산 피해가 생기며, 10,000건의 산불이 일어나 3,000만 달러어치의 시장성 목재가 사라진다”라고 「사이언티픽 아메리칸」지에서는 알려 준다.

고급 비료, 지구의 배터리

그러나 번개에는 이로운 점도 있다. 세계 도처에서, 매일 800만번 일어나는 번개는 대기를 갈라 공기를 이온화하고 질소 산화물을 만들어 내는데, 질소 산화물은 비에 용해되어 묽은 질산으로 땅에 떨어진다. 질산은 땅에서 식물이 필요로 하는 무기물로 용해된다. 또한 질산은 식물에 유용한 질소를 만든다. 농부들은 질소 비료를 매년 수천만톤이나 뿌리는데—너무 많은 양이라서 질소 비료는 토양 유기체에 치사적이 되며 빗물과 함께 흘러 동물을 죽이고 호수와 개울과 강에 있는 물고기를 죽인다. 그러나 번개로 인한 부드러운 “뇌우 빗물”은 적당한 양의 고정 질소를 보태는데, 비교 시험에서 뇌우 빗물을 통해 얻은 곡물 수확량은 상업용 비료를 사용하여 얻은 양보다 50퍼센트 더 많았다. 「뉴 사이언티스트」는 이렇게 알려 준다. “미국의 두 화학자에 따르면, 전세계 고정 질소의 절반은 번개를 통해 공급될 것이다. 이것은 전에 생각했던 것보다 거의 다섯배가 된다.”

또한 뇌우는 지구의 회로를 유지하는 데 필요한 “배터리”를 만들어 낸다. 이 점에 관해 「사이언티픽 아메리칸」지에서는 이렇게 알려 준다. “음대전된 지표와 양대전된 대기 사이에는 약 300,000볼트의 일정한 전위차가 있다. ·⁠·⁠· 이제는 300킬로볼트의 그 ‘이온층 전위’가, 지구 회로의 ‘배터리’를 만들어 내는 뇌우에 의한 충전의 결과라고 일반적으로 믿어지고 있다. 폭풍에 의해 약 1암페어의 전류가 뇌운 꼭대기의 양전하로부터 위로 흘러, 대기가 쾌청한 지역에 있는 땅으로 돌아온다. ·⁠·⁠· [그 다음] 1암페어의 전류가 지표로부터 구름 밑바닥으로 흐르지 않을 수 없게 된다. 비의 유동, 코로나 방전 및 번개는 모두 그러한 전하 이동에 도움이 된다.”

웅장한 뇌우의 궁극적인 근원은 무엇인가? 여호와 하나님은, 외경감을 불러일으키는 섬광을 발하고 요란하게 뇌성을 울리는 장관을 이루는 하늘 흥행을 창조하신 분이다. 성서는 번개와 천둥을, 하나님께서 인간을 대하실 때 대동하시는 것으로서, 하나님의 하늘 보좌의 장식물로서 그리고 다가오는 하나님의 심판의 전조로서 이야기한다. “번개 빛으로 땅끝까지 이르게 하시고 그 후에 음성을 발하시며 위엄의 울리는 음성을 내시[느니라.]”—욥 37:3, 4, 11-13; 40:9; 출애굽 19:16; 20:18; 시 18:13, 14; 29:3-9; 계시 11:19.

[16, 17면 삽화]

애리조나에서 “몬순” 계절에 치는 번개

[16, 17면 삽화]

아래: 번개에 의해 두드러져 보이는 두 송이의 유카꽃

옆면: 번개로 일어난 화재

[자료 제공]

John Kamenchuk

[15면 사진 자료 제공]

애리조나 주 투손; photo by Manley Studios