번개와 천둥은 어떻게 생길까

무대에 보이는 것

번쩍인 뒤 천둥이 울릴 때까지 초를 세어 본 적이 누구에게나 있을 것입니다. 이 전시는 비 내리는 밤의 작은 마을로 여러분을 데려가, 원하는 거리에 뇌우를 놓고 직접 세어 보게 합니다. 첫 장면에 나오는 것은 모두 실제 크기입니다. 집과 교회 첨탑, 차로 걸어가는 사람들, 뇌우 구름과 번개 줄기까지 그렇습니다. 구름 밑면은 약 1.5 km, 꼭대기는 약 12 km 높이에 있고, 구름에서 땅까지 이어지는 번개 줄기는 길이가 몇 km나 됩니다. 그 옆에 선 사람의 키는 1.7 m입니다.

나머지 여섯 장면은 번개를 하나씩 뜯어봅니다. 한 장면은 뇌우 구름을 반으로 잘라 구름에 전기를 띠게 하는 얼음을 보여 줍니다. 한 장면은 번개 한 번을 최대 100만 배 느리게 해서, 희미한 계단형 선도와 위로 오르는 마중 방전, 밝은 귀환 뇌격이 차례로 일어나게 합니다. 한 장면은 땅에서 90 km 높이까지 번개의 종류를 보여 주는데, 1989년과 1994년에야 처음 기록된 레드 스프라이트와 블루 제트도 들어 있습니다. 한 장면은 집 위에 피뢰침을 세웁니다. 한 장면은 천둥소리가 지도 위로 조각조각 퍼져 가는 모습을 따라갑니다. 마지막 장면은 지구 전체를 보여 주며, 1초에 약 44번 치는 번개마다 점을 하나씩 찍습니다.

무대 아래에는 기상청과 미국 기상청(NWS)의 안전 수칙, 직접 번개를 재는 초시계, 과제 16개, 47가지가 실린 번개 도감, 숨은 볼거리, 흔한 오해를 바로잡는 카드, 지금까지 본 번개의 기록이 있습니다.

첫 10초

전시는 3.4 km 떨어진 곳에 뇌우가 있는 밤에서 시작합니다. 장면이 열리고 약 1초 뒤, 번개 줄기가 가지를 뻗으며 하늘을 가르고 구름 속을 밝힙니다. 무대 가운데의 계산판은 번쩍이는 순간부터 시간을 잽니다. 빛은 3.4 km를 약 11마이크로초 만에 지나오므로, 우리가 보는 번쩍임은 번개가 친 바로 그 순간이라고 보아도 됩니다. 천둥은 9.9초가 걸립니다. 천둥이 도착하면 계산판이 시간을 거리로 바꿉니다. 1초에 343 m씩 9.9초면 3.4 km입니다.

끌어서 둘러보세요. 여러분은 들판 가장자리에 눈높이로 서 있고, 뒤와 왼쪽에는 집들이, 조금 떨어진 곳에는 피뢰침이 달린 교회 첨탑이, 길을 따라서는 전깃줄이 있습니다. 뇌우는 들판 위에 있습니다. 번개는 저절로 계속 칩니다. 「뇌우 세기」로 1분에 몇 번 칠지 정하고, 무대의 「번개 치기」 버튼으로 언제든 하나를 더할 수 있습니다.

초를 세면 거리가 나옵니다

어림셈으로 소리는 1 km에 3초, 1마일에 5초쯤 걸립니다. 미국 국립악기상연구소(NSSL)는 두 가지를 다 적습니다. 소리는 1초에 약 3분의 1 km, 5분의 1마일을 가므로 초를 3으로 나누면 km, 5로 나누면 마일이 됩니다. 미국 기상청은 「5초 = 1마일, 15초 = 3마일, 0초 = 아주 가까움」이라고 씁니다.

이 셈이 맞는 까닭은 빛이 소리보다 약 100만 배 빠르기 때문입니다. 번쩍임은 거의 바로 도착하고, 시간이 걸려 오는 것은 천둥뿐입니다. 전시는 번개마다 두 값을 함께 보여 줍니다. 거리와 기온으로 정확히 계산한 지연 시간, 그리고 그 시간으로 어림셈을 하면 나오는 거리입니다. 20 °C에서는 둘이 약 3 % 다릅니다. 소리는 1초에 333 m가 아니라 343 m를 가기 때문입니다.

무대 아래에서 직접 해 볼 수 있습니다. 무대에서 번쩍이는 것을 보면 첫 버튼을, 천둥이 들리면(또는 계산판이 알려 주면) 둘째 버튼을 누릅니다. 전시는 여러분이 잰 시간을 거리로 바꿔 실제 거리와 견줍니다. 15 % 안으로 맞히면 과제가 풀립니다. 같은 두 버튼은 실제 뇌우에서도 쓸 수 있습니다. 단, 건물 안에서 보고 있을 때만입니다.

기온에 따라 답이 달라지는 까닭

공기 속 음속은 기압이 아니라 기온에 따라 달라집니다. 전시는 이상기체 식을 씁니다. 0 °C에서 331.3 m/s에, 절대온도를 273.15 K로 나눈 값의 제곱근을 곱합니다. 그러면 20 °C에서 343.2 m/s, −10 °C에서 약 325 m/s, 35 °C에서 약 352 m/s가 나와 1도에 약 0.6 m/s씩 빨라집니다.

그래서 똑같이 세어도 추운 밤과 더운 오후의 거리는 조금 다릅니다. −10 °C에서 3초는 976 m, 35 °C에서는 1,056 m로 약 80 m 더 멉니다. 「기온」 조작은 전시 전체의 음속을 바꿉니다. 천둥 지도도, 구름 속의 어는 높이도 함께 움직입니다.

번개 줄기는 얼마나 뜨거울까

번개 자체는 전하의 이동이라 온도가 없습니다. 뜨거워지는 것은 전류가 지나가는 물질입니다. 공기는 전기가 아주 안 통하는 물질이라 격렬하게 달아오릅니다. 미국 기상청은 번개 줄기의 공기를 50,000 °F로 잡고, 태양 표면보다 약 5배 뜨겁다고 설명합니다. NASA는 태양의 눈에 보이는 표면인 광구를 약 10,000 °F(5,500 °C)로 적습니다. 섭씨로 50,000 °F는 약 27,760 °C입니다.

NSSL은 18,00060,000 °F라는 범위를 주고, 이 가열이 「단 몇 백만분의 1초 만에」 일어난다고 말합니다. 기상청 낙뢰연보는 20,00030,000 °C로 적습니다. 값이 다른 것은 줄기의 온도가 하나가 아니기 때문입니다. 전류가 가장 셀 때 가장 뜨겁고 곧이어 빠르게 식으며, 재는 방법마다 다른 순간을 잡습니다.

번개가 나무에 떨어지면 열이 나무 속 물을 수증기로 바꿔 껍질을 띠처럼 날려 버리거나 줄기를 쪼갭니다. 모래나 흙에 떨어지면 전류가 지난 길을 따라 녹여 유리 같은 관을 만듭니다. 이 관을 섬전암이라고 부르며, 피뢰침 장면에서 번개가 빈 땅에 떨어지면 하나가 나타납니다.

뇌우 구름이 전기를 띠는 법

뇌우는 따뜻하고 축축한 공기가 구름을 어는 높이 훨씬 위까지 밀어 올릴 만큼 세게 오르는 곳에서 자랍니다. 미국 기상청은 다 자란 뇌우 속을 이렇게 설명합니다. 위쪽에는 작은 얼음 알갱이가, 가운데에는 얼음 알갱이와 작은 우박이 섞여 있고, 아래쪽에는 비와 녹는 우박이 있습니다.

전하는 구름 가운데에서 생깁니다. 이곳에는 세 가지가 함께 있습니다. 싸락눈(지름 0.25 mm에서 몇 mm인 무른 우박으로, 과냉각 물방울을 붙잡아 자랍니다), 작은 얼음 알갱이, 과냉각 물입니다. 싸락눈과 얼음 알갱이가 부딪쳤다 튕겨 나가면 전하가 조금 옮겨 갑니다. NSSL은 미리 전기장이 없어도 시작된다는 뜻에서 이것을 비유도 과정이라 부르고, 「정확한 물리 과정은 아직 완전히 밝혀지지 않았다」고 덧붙입니다.

전하가 어느 쪽으로 가는지는 온도가 정합니다. 1978년 다카하시의 실험을 비롯한 실험실 연구에서, 싸락눈은 어는점보다 조금 낮은 온도에서는 양전하를, 더 추운 곳에서는 음전하를 얻었습니다. NSSL도 쉬운 말로 같은 설명을 합니다. 부호가 바뀌는 온도는 구름 속 액체 물의 양에 따라 달라지며, 전시는 −10 °C를 쓰고 노란 고리로 표시합니다.

전하가 모이는 자리

알갱이가 전하를 띠면 상승 기류가 이들을 나눕니다. 가벼운 얼음 알갱이는 무거운 싸락눈보다 빨리 올라가므로 양전하는 구름 위쪽과 모루구름에 모이고, 음전하는 가운데의 싸락눈에 남습니다. 그 아래에는 조금 따뜻한 공기에서 싸락눈이 양전하를 얻어 작은 양전하 영역이 생기곤 합니다. 뇌우 아래 땅은 위의 음전하에 맞서 양전하를 띱니다.

「구름 속」 장면이 이것을 보여 줍니다. 높이는 실제 그대로이고, 알갱이는 실제보다 수천 배 크게 그렸으며 시간은 빨리 흐릅니다. 고리는 0, −10, −20, −40 °C 높이입니다. 땅의 기온에서 1 km에 6.5 °C씩 낮아지는 표준 감률을 따르므로, 더운 오후에는 모든 고리가 올라갑니다. 불꽃 하나가 충돌 하나입니다. 파란 불꽃은 싸락눈이 음전하를, 붉은 불꽃은 양전하를 얻은 곳입니다. 주 음전하가 가득 차면 구름이 방전하는데, 대개 구름 안에서, 가끔은 땅으로 칩니다. 「상승 기류」 조작은 공기가 얼마나 세게 오르는지, 그래서 충돌이 얼마나 잦은지를 정합니다.

뇌우가 하는 일은 번개만이 아닙니다. NSSL은 뇌우가 지구 전기 회로의 전지 노릇을 해서 땅은 음전하로, 그 위 공기는 양전하로 유지한다고 설명합니다. 맑은 날에도 땅 근처에는 약 100 V/m의 전기장이 있습니다. NSSL에 따르면 뇌우가 없으면 이 균형은 약 5분 만에 사라집니다.

계단형 선도

땅으로 떨어지는 번개는 땅에서 시작하지 않습니다. 번개는 대부분, 어쩌면 모두 구름 안에서 시작합니다. 흔한 낙뢰에서는 계단형 선도라는 음전하의 길이 아래로 자랍니다. NSSL은 이 선도가 약 50야드씩 끊어 가며 갈래를 치고 지그재그로 내려오며, 눈에는 보이지 않고, 「눈을 한 번 깜빡이는 것보다 짧은 시간에」 땅에 닿는다고 설명합니다.

걸음은 앞쪽 공기가 이미 희미한 스트리머 여러 가닥으로 이온화되는 곳에서 생기고, 그 가운데 전류를 가장 많이 나르는 것이 다음 걸음이 됩니다. Rakov(2013)의 총설은 평균 하강 속도를 초속 약 200 km로 줍니다. 길이 6 km인 줄기라면 약 1,000분의 30초가 걸립니다.

「느린 동작」 장면은 선도를 같은 방식으로 키웁니다. 구름 밑에서 시작해 한 걸음에 약 46 m씩, 땅 쪽으로 끌리면서도 조금씩 다른 방향으로 나아가고, 곁가지는 갈라졌다가 사그라집니다. 선도가 각 지점에 닿는 시간은 지나온 길이를 초속 200 km로 나눈 값입니다. 무대는 「느린 동작」 값과 상관없이 선도를 최대 500배 느리게 보여 주므로, 실제로 수십 밀리초인 선도가 약 10초 동안 내려옵니다. 「느린 동작」은 귀환 뇌격을 얼마나 느리게 볼지 정합니다.

마중 방전과 만나는 순간

선도가 땅에 가까워지면 높은 물체 꼭대기의 전기장이 위로 불꽃을 쏘아 올릴 만큼 세집니다. NSSL은 선도가 땅 위 약 100야드보다 가까워지면 이 일이 시작되고, 나무와 덤불과 건물이 모두 그렇게 한다고 말합니다. 높은 물체일수록 위로 오르는 길을 만들기 쉬워서 번개를 더 잘 맞습니다.

선도와 만나는 마중 방전은 대개 하나뿐입니다. 미국 기상청은 마중 방전을 번개가 사람을 다치게 하는 다섯 가지 길 가운데 하나로 꼽습니다. 주 줄기가 방전할 때 주변의 다른 마중 방전도 모두 방전하므로, 번개가 그 사람을 지나 이어지지 않았어도 마중 방전의 일부였던 사람은 다칠 수 있습니다. 「느린 동작」 장면에서는 피뢰침, 나무, 전봇대, 사람에게서까지 마중 방전이 올라옵니다. ×100,000에서 어느 것이 이어지는지 볼 수 있습니다.

귀환 뇌격

선도가 이어지는 순간 강한 전류가 흐르기 시작합니다. 이것이 귀환 뇌격으로, 땅에서 줄기를 따라 거꾸로 올라가는 전류와 빛의 파도입니다. 우리가 보는 밝은 부분이 바로 이것입니다. NSSL은 그 속도를 초속 약 6만 마일로 적습니다. Idone과 Orville(1982)의 고속 촬영 측정에서는 땅 근처 평균이 1.1 × 10⁸ m/s로 빛의 약 3분의 1 속도였고, 첫 뇌격은 9.6 × 10⁷ m/s로 조금 느렸습니다.

이 속도라면 귀환 뇌격은 10마이크로초(10만분의 1초)에 약 1.1 km를 올라갑니다. 6 km 줄기는 약 55마이크로초 만에 아래부터 위까지 밝아집니다. 「느린 동작」이 ×1,000,000까지 있는 까닭입니다. 이 값에서는 실제 1마이크로초가 화면에서 1초가 되어, 빛이 줄기를 타고 오르는 모습을 볼 수 있습니다.

전류는 얼마나 흐를까요? 미국 기상청은 보통 번개를 약 3억 볼트, 30,000암페어로 적습니다. 가정용 전기는 120볼트, 15암페어입니다. NSSL은 1억10억 볼트로 적습니다. 「최대 전류」 조작은 피뢰침 장면에 쓰는 전류를 5300 kA 사이에서 정하며, 30 kA는 첫 뇌격의 중앙값으로 흔히 인용되는 값입니다.

번개가 깜빡이는 까닭

번개는 한 번의 뇌격으로 끝나는 일이 드뭅니다. 첫 귀환 뇌격 뒤 줄기는 식지만, 새 공기보다는 여전히 쉽게 뚫립니다. 수십 밀리초 뒤 화살 선도가 같은 길을 계단 없이 내려오고, 다음 귀환 뇌격이 따라옵니다. NSSL은 음극성 번개 한 번에 귀환 뇌격이 1번에서 20번까지 있을 수 있다고 하며, 우리는 이것을 깜빡임으로 봅니다.

「느린 동작」 장면은 뇌격을 차례로 보여 줍니다. 뇌격, 빛남, 뇌격 사이의 쉼, 화살 선도, 다음 뇌격입니다. 「귀환 뇌격 수」로 몇 번일지 정합니다. 많은 번개는 땅의 여러 곳에 떨어지기도 합니다. 미국 기상청은 미국과 일본의 시험에서 음극성 번개의 절반 이상, 양극성 번개의 70 % 넘게가 땅의 여러 곳에 닿았다고 인용합니다.

양극성 낙뢰

드물게 양전하를 땅으로 내리는 번개가 있습니다. 양극성 낙뢰는 대개 뇌우 위쪽이나 모루구름에서 시작해 비 내리는 곳에서 멀리 떨어진 곳에 칩니다. NSSL은 이 번개가 보통 귀환 뇌격이 한 번이고 전류가 이어서 흐르기 쉬우며, 최대 전류가 더 센 경우가 많고 이어지는 전류가 더 오래 흘러 더 위험하다고 볼 수 있다고 말합니다. 그래서 불도 더 잘 낸다고 여겨집니다.

땅에 닿지 않는 번개

번개 대부분은 땅에 닿지 않습니다. 한 구름 안에서만 치는 것은 구름 속 번개(IC), 구름과 구름 사이는 구름 사이 번개, 아무것도 치지 않고 맑은 공기로 줄기를 뻗는 것은 구름-대기 번개라고 합니다. NSSL은 구름 번개가 낙뢰보다 대략 5~10배 많다고 보며, 모루구름 아랫면을 따라 길게 기어가는 거미 번개도 사진으로 보여 줍니다. 구름 번개가 구름 속에 가려지면 구름 전체가 한꺼번에 밝아지는 것처럼 보이는데, 이것을 판번개라고 부르기도 합니다.

「번개 종류」 장면에는 종류마다 버튼이 있습니다. 음극성과 양극성 낙뢰, 구름 속 번개, 구름 사이 번개, 구름-대기 번개, 마른하늘 번개, 높은 탑에서 위로 치는 번개, 그리고 구름 위의 네 가지입니다.

마른하늘 번개

마른하늘 번개는 구름 안에서 시작해 뇌우 옆구리로 나와 맑은 공기 속을 옆으로 멀리 달린 뒤 아래로 꺾입니다. 머리 위 하늘이 파랗게 보이는 곳에도 떨어집니다. 미국 기상청은 이런 번개가 뇌우에서 10~15마일 떨어진 곳에 칠 수 있고, 번개는 대체로 폭풍 중심에서 3마일 넘게 떨어진, 비가 오지 않는 곳에도 자주 친다고 말합니다. NSSL은 구름 한 점 없는 하늘 아래 자전거를 타던 사람이 번개를 맞은 사례를 소개합니다. 번개는 산 너머에 가려진 약 10마일 밖의 뇌우에서 온 것으로 보였습니다.

미국 기상청의 가장 간단한 규칙이 여기서 나옵니다. 천둥이 들린다면 이미 번개가 닿을 수 있는 거리에 있는 것입니다.

구름 위

뇌우가 꼭대기 훨씬 위에서도 빛을 낸다는 것은 오랫동안 아무도 몰랐습니다. 1989년 9월 22~23일 밤, 저조도 카메라를 시험하던 연구자들이 250 km 떨어진 뇌우 위로 솟는 방전을 찍었습니다. 방전은 14 km 높이의 구름 꼭대기에서 위의 맑은 공기로 올라갔습니다(Franz, Nemzek, Winckler, 1990). 이어 1994년 항공 관측에서 처음으로 컬러 영상과 높이 측정값이 나왔습니다.

레드 스프라이트는 붉은 빛으로, 몸통은 보통 5090 km 높이에 폭 530 km이며 아래로 희미한 푸른 촉수를 늘어뜨리고 16밀리초보다 짧게 빛납니다(Sentman 외, 1995). 대개 큰 양극성 낙뢰 위에 나타납니다. 우주비행사들은 국제우주정거장에서 스프라이트를 찍었습니다.

블루 제트는 구름 꼭대기에서 초속 약 100 km로 솟아 40~50 km에서 끝나는 가느다란 파란 원뿔 빛입니다(Wescott 외, 1995). 거대 제트는 더 멀리, 뇌우 구름 꼭대기에서 전리층 아래까지 이어지며, 2002년 Pasko 연구진과 2003년 Su 연구진이 보고했습니다.

엘브스는 75105 km 높이에서 폭 약 100300 km로 1밀리초도 안 되는 사이 번쩍이는 희미한 고리입니다(Fukunishi 외, 1996). 아래의 강한 번개가 내는 전파 펄스가 전리층 아랫부분을 데워 생기는 것으로 봅니다. 너무 빨리 퍼지기 때문에 전시의 고리는 1초 넘게 걸려 커집니다. 구름 위 현상은 실제보다 약 100배 느리게 보여 줍니다.

감마선과 반물질

1994년, 먼 우주를 보려고 만든 콤프턴 감마선 관측선의 검출기가 지구에서 오는 짧고 강한 감마선 섬광을 기록했습니다(Fishman 외, 1994). 이 지구 감마선 섬광은 뇌우에서 나옵니다. 수백만 전자볼트로 가속된 전자가 느려지면서 감마선을 내는 것입니다. 2011년에는 페르미 우주망원경이 뇌우에서 위로 쏘아 올려진 전자와 양전자(전자의 반물질 짝)의 빔을 검출했습니다(Briggs 외, 2011). 「번개 종류」 장면의 작은 금빛 위성을 누르면 이 이야기가 담긴 카드가 열립니다.

번개가 떨어지는 곳

미국 기상청은 번개가 어디에 떨어질지를 정하는 세 가지로 높이, 뾰족한 모양, 홀로 서 있는지를 꼽습니다. 금속은 번개가 떨어질 곳에 아무 차이도 만들지 않습니다. 다만 전류는 잘 전하므로, 미국 기상청은 금속 울타리와 난간, 관람석에서 떨어지라고 합니다.

번개는 같은 곳에 두 번도 칩니다. 엠파이어스테이트 빌딩은 1년에 평균 23번 맞습니다. NSSL은 두 가지 까닭을 듭니다. 번개가 워낙 많으니 우연히 가까운 곳에 두 번 떨어지기도 하고, 높이나 그 아래 땅처럼 그 자리의 무언가가 위로 오르는 마중 방전을 더 잘 만들기도 합니다. 첫 장면에서는 지평선 위 도시의 높은 탑이 숨은 볼거리 가운데 하나이고, 「높은 탑」 버튼을 누르면 그 탑에 번개가 칩니다.

타격 거리와 굴리는 구

선도와 땅 사이의 마지막 한 걸음은 선도가 가까이 와야 정해집니다. 기술자들은 이것을 타격 거리로 설명합니다. 선도 끝에서 이만큼 떨어진 물체는 이어지는 마중 방전을 쏘아 올릴 수 있다는 거리입니다. 선도 끝에 그 반지름의 구를 그리면, 구 안에 처음 들어오는 물체가 번개를 맞습니다.

피뢰 설계에 쓰는 예전 식은 S = 10 I^0.65입니다. S는 m, I는 kA 단위의 최대 전류입니다. Cooray, Rakov, Theethayi(2007)는 측정한 전류로 선도의 전하를 계산해 S = 1.9 I^0.90을 새로 제안했습니다. 첫 뇌격의 중앙값 30 kA에서 예전 식은 91 m, 새 식은 41 m를 줍니다. 피뢰침 장면은 새 식을 쓰고 읽기판에 두 값을 함께 보여 줍니다.

같은 생각에서 피뢰침 자리를 정하는 굴리는 구 방법이 나옵니다. 타격 거리를 반지름으로 하는 구를 건물 위로 굴린다고 생각합니다. 구가 닿는 곳은 번개를 맞을 수 있고, 닿지 못한 자리는 보호됩니다. 피뢰침 끝이 11.7 m이고 구가 41 m라면, 피뢰침과 땅에 걸친 구는 피뢰침 둘레 약 28 m의 땅에 닿지 않습니다. 식은 r = √(2Sh − h²)이고, h는 피뢰침의 높이입니다.

피뢰침이 하는 일

벤저민 프랭클린은 1750년대 초에 피뢰침을 제안했고, 기상청 낙뢰연보는 번개가 전기라는 사실이 그가 1752년에 내놓은 가설과 실험 제안으로 밝혀졌다고 적습니다(Krider, 2006이 그 이야기를 전합니다). 피뢰침은 멀리 있는 번개를 끌어오지 않습니다. 선도가 지붕보다 피뢰침에 먼저 이어지게 하고, 도선이 전류를 땅에 박은 접지봉으로 내려보내 건물 속을 지나가지 않게 합니다.

피뢰침 장면에서 선도는 약 900배 느리게, 끝에 타격 거리의 구를 달고 내려옵니다. 피뢰침을 세우면 구 안에 처음 들어오는 것은 거의 언제나 피뢰침입니다. 인하 도선이 빛나고 접지봉에서 전류의 고리가 퍼집니다. 「피뢰침」 버튼으로 피뢰침을 내리면 번개는 굴뚝, 나무, 자동차, 울타리, 빈 땅 가운데 하나에 떨어집니다.

번개가 사람을 다치게 하는 길

미국 기상청은 번개가 사람을 치는 다섯 가지 길을 꼽습니다. 직격은 사람이 주 줄기의 일부가 되는 경우로, 드물지만 가장 치명적입니다. 측면 섬락은 더 높은 물체, 대개 나무에서 1~2피트 안의 사람에게 건너뛰는 것입니다. 땅 전류는 낙뢰 지점에서 땅을 따라 퍼져 나가며 사망과 부상을 가장 많이 일으키고, 가축도 많이 죽입니다. 앞다리와 뒷다리 사이가 멀어 전류가 몸속을 길게 지나기 때문입니다. 전도는 전선, 수도관, 금속을 따라 전류가 흘러 그것을 만지는 사람에게 닿는 것으로, 미국 기상청이 건물 안에서도 유선 전화와 수도를 멀리하라고 하는 까닭입니다. 앞에서 말한 마중 방전이 다섯째입니다.

미국 기상청의 잠정 집계로는 2016년부터 2025년까지 10년 동안 미국에서 해마다 평균 20명이 번개로 숨졌습니다. NSSL은 한 해에 번개를 맞을 확률을 120만 분의 1, 80년 평생으로는 15,300분의 1로 봅니다. 번개 맞은 사람의 몸에는 전기가 남지 않습니다. 바로 만져서 도움을 부르고 심폐소생술을 시작해도 됩니다.

천둥: 충격파에서 우르릉까지

천둥은 충격파로 시작합니다. 귀환 뇌격은 공기가 미처 팽창하지 못할 만큼 빠르게, 몇 백만분의 1초 만에 줄기를 데우므로 안의 압력이 치솟습니다. 그러면 공기가 폭발하듯 밀려 나갑니다. NSSL은 처음 10야드쯤은 이것이 충격파이고, 그 너머에서는 보통 소리가 된다고 말합니다.

천둥이 우르릉거리는 것은 줄기가 길기 때문입니다. 줄기의 모든 부분이 같은 순간에 소리를 내지만, 부분마다 나와의 거리가 다릅니다. 가장 가까운 부분의 소리를 먼저 듣고, 이어서 점점 먼 부분의 소리를 듣습니다. 구름 속을 몇 km나 달리는 줄기라면 수십 초 동안 들립니다. 미국 기상청은 날카롭게 찢어지는 소리나 딸깍 소리는 줄기가 가까이 지나갔다는 뜻이고, 우르릉 소리는 번개가 적어도 몇 마일 떨어져 있었다는 뜻이며, 가끔 들리는 큰 쾅 소리는 주 줄기가 땅에 닿을 때 난다고 덧붙입니다.

「천둥」 장면은 이것을 지도 위에 그립니다. 줄기가 땅까지 내려온 뒤 구름 속에서 몇 km를 옆으로 달립니다. 조각마다 소리 앞면을 내보내고, 땅 위의 고리는 각 소리가 닿은 곳입니다. 고리가 나를 지나가면 그 조각의 소리가 들리고, 무대 위의 그래프가 그 소리를 더합니다. 첫 천둥은 가장 가까운 조각에서, 마지막 천둥은 가장 먼 조각에서 옵니다. 읽기판이 두 거리와 우르릉이 이어지는 시간을 알려 줍니다. 번개에서 3 km 떨어져 있다면 첫 소리는 약 9초 뒤, 마지막 소리는 번쩍인 뒤 30초가 넘어서 옵니다.

천둥은 얼마나 멀리 들릴까

천둥은 멀어질수록 작아지고, 오는 동안 높은 소리를 잃습니다. NSSL은 높은 주파수가 공기에 더 빨리 흡수되기 때문에, 가까운 천둥은 찢어지는 소리였다가 딱 하는 소리가 되고, 먼 천둥은 낮게 우르릉거린다고 설명합니다. 천둥은 25마일까지 들릴 수 있습니다. 미국 기상청은 배경 소음이 없을 때 보통 약 10마일까지 들리며 차 소리와 바람, 비가 그 거리를 줄인다고 말합니다. 기상청은 보통 약 20 km, 때로는 약 40 km로 적습니다.

「배경 소음」 조작은 측정값이 아니라 간단한 모형을 씁니다. 천둥 소리는 퍼지면서, 그리고 공기에 흡수되면서 작아지고, 소음보다 클 때만 들립니다. 조용한 밤인 30 dB에서 모형이 정하는 들리는 거리는 약 18 km, 차가 많은 곳인 60 dB에서는 약 4 km입니다. 뇌우를 그보다 멀리 두면 번쩍임만 있고 천둥은 전혀 없습니다. 이런 번개를 흔히 열번개라고 부르는데, 더운 밤에 보이는 특별한 번개처럼 들리는 이름입니다. NSSL은 천둥이 들리지 않을 만큼 멀리 있는 번개일 뿐이라고 말합니다.

1초에 44번

「번개는 얼마나 칠까」라는 물음에 대한 예전 교과서의 답은 1초에 100번이었습니다. 1925년 뇌우 일수 기록으로 어림한 값입니다. 위성이 이 값을 바꾸었습니다. 광학 순간 검출기(OTD)는 5년 동안 지구 전체를 지켜보며 구름 속 번개와 낙뢰를 합쳐 1초에 평균 44 ± 5번을 셌습니다(Christian 외, 2003). 1년에 약 14억 번입니다. 같은 자료에서 번개는 주로 육지 위에 쳤고, 육지와 바다의 평균 비는 약 10대 1이었습니다.

「지구」 장면은 번개마다 점을 하나씩, 평균 1초에 44개를 찍습니다. 자리는 무작위로 고르되 지도에 따라 무게를 둡니다. 이 지도는 위도, 육지와 바다, 발표된 상위 10곳으로 만든 모형으로, 그림을 위한 추정이지 위성 자료 격자 자체가 아닙니다. 계산판은 장면을 연 뒤 지구에서 친 번개 수를 보여 줍니다.

번개가 가장 많이 치는 곳

Albrecht 연구진(2016)은 열대강우관측위성(TRMM)의 번개 영상 센서가 16년 동안 관측한 자료로 1 km²당 번개가 가장 많은 곳의 순위를 매겼습니다. 1위는 이전 연구가 가리켰던 아프리카가 아니라 베네수엘라의 마라카이보 호수 위로, 1 km²에 1년 약 233번입니다. 산바람과 호수 바람, 바닷바람이 만나는 따뜻한 호수 위에 1년에 297일 밤 뇌우가 생기고, 9월에 가장 많습니다. 번개가 너무 규칙적이라 옛 뱃사람들은 등대처럼 썼습니다.

2위는 콩고민주공화국의 카바레로 205번입니다. 상위 500곳 가운데 283곳이 아프리카에 있고, NASA에 따르면 상위 10곳 가운데 6곳도 아프리카입니다. NSSL은 미국에서 낙뢰가 가장 잦은 곳이, 습한 공기와 바닷바람이 1년에 여러 날 만나는 플로리다의 탬파와 올랜도 사이라고 말합니다.

한국의 번개

기상청은 센서 21개로 이루어진 관측망으로 남한의 낙뢰를 기록하며, 위치 정확도는 중간값으로 250 m 안입니다. 2025 낙뢰연보는 그해 육지에서 낙뢰 106,750번을 셌습니다. 2016~2025년의 10년 평균은 105,385번입니다. 그 전 해는 유난히 잦아 2024년에 145,784번이었고, 8월 5일 하루에만 27,431번, 그해 전체의 약 19 %가 쳤습니다.

한국의 번개는 대부분 여름에 칩니다. 10년 월평균은 7월(37,073)과 8월(31,767)에 가장 많고 1월(42)과 2월(253)에 가장 적습니다. 무대 아래 실험실은 이 평균값을 씁니다. 달을 고르면 그 달에 한국 땅에 평균 몇 번 낙뢰가 치는지 알려 줍니다.

우주에서 세운 기록

정지궤도 번개 지도 장비는 지구의 같은 반쪽을 늘 지켜보기 때문에, 길이가 수백 km인 번개 하나, 이른바 메가플래시를 잴 수 있게 되었습니다. 2025년 세계기상기구는 거리 기록을 인정했습니다. 2017년 10월 22일 텍사스 동부에서 캔자스시티 근처까지 829 km를 이어 간 번개 하나입니다(Peterson 외, 2025). GOES-16 자료를 다시 살피다 찾아낸 것으로, 2020년 4월 29일의 768 km라는 이전 기록을 넘어섰습니다. 지속 시간 기록은 2020년 6월 18일 우루과이와 아르헨티나 위에서 17.102초 동안 이어진 번개 하나입니다(Peterson 외, 2022).

이런 기록은 번개 안전을 설명하는 방식을 바꿉니다. 번개 하나가 구름 속을 수백 km 달리며, 뇌우가 있어 보이는 곳에서 멀리 떨어진 땅에 뇌격을 보낼 수 있기 때문입니다.

다른 곳의 번개

번개를 만드는 것은 뇌우만이 아닙니다. NSSL은 화산 분화, 스스로 뇌우 구름을 만드는 아주 센 산불, 큰 눈보라(눈 속 천둥), 큰 허리케인, 지표 핵폭발을 꼽습니다. 2022년 1월 15일 통가의 훙가 화산 분화는 분연을 적어도 58 km 높이까지 올렸고 1분에 2,600번 넘게 번개를 냈으며, 번개는 우산 모양 구름 속 중력파를 따라 고리 모양으로 퍼졌습니다(Van Eaton 외, 2023).

목성에도 번개가 칩니다. 주노 탐사선은 600 MHz에서 번개 전파를 기록했는데 대부분 극 근처였고(Brown 외, 2018), 뒤에 대기 높은 곳 얕은 폭풍에서 나오는 작은 번개도 보았습니다(Becker 외, 2020). 「지구」 장면 구석의 줄무늬 행성을 누르면 이 이야기가 담긴 카드가 열립니다. 그곳의 크기와 거리는 실제 비율이 아닙니다.

두 기관이 알려 주는 행동요령

두 기관의 안내는 거의 모두 같습니다. 뇌우가 가까우면 밖에는 안전한 곳이 없습니다. 튼튼한 건물과, 창문을 닫은 지붕이 금속인 차는 안전하지만 작은 헛간, 텐트, 비 가림 쉼터, 지붕 없는 차는 안전하지 않습니다. 건물 안에서도 유선 전화와 콘센트에 꽂힌 것, 수도를 멀리하고 창문과 문에서 떨어집니다. 마지막 천둥 뒤 30분을 기다렸다가 밖에 나갑니다. 폭풍의 마지막 번개는 그 앞 번개보다 몇 분이나 늦게 올 수 있기 때문입니다.

한 가지 규칙은 다릅니다. 기상청은 지금도 30-30 규칙을 안내합니다. 번쩍인 뒤 천둥까지 세어 30초 이하라면 곧바로 안전한 곳으로 옮기라는 것입니다. 미국 기상청은 천둥이 들리기만 해도 이미 위험하다고 말하며 「천둥이 울리면 실내로(When Thunder Roars, Go Indoors!)」를 구호로 씁니다. 30초는 약 10 km이고, 번개는 뇌우에서 그만큼 떨어진 곳에도 칩니다.

밖에서 피할 곳이 없을 때의 설명도 다릅니다. 기상청은 위험한 곳을 벗어나는 동안 위험을 줄이는 방법으로, 발을 모으고 몸을 낮게 웅크리며 다른 사람과 5~10 m 떨어지라고 안내하고, 젖은 땅에 엎드리는 것은 매우 위험하다고 말합니다. 미국 기상청은 웅크려도 더 안전해지지 않으며 땅에 엎드리면 땅 전류의 위험이 커진다고 하고, 대피할 곳을 향해 계속 움직이라고 권합니다. 두 기관 모두 제때 건물 안으로 들어가는 것만이 좋은 답이라고 합니다.

이 전시의 번쩍임에 대하여

번개는 밝은 번쩍임이고, 밝은 번쩍임이 빠르게 되풀이되면 광과민성 뇌전증이 있는 사람에게 발작을 일으킬 수 있습니다. 미국 뇌전증재단을 위한 총설은 1초에 1525번 깜빡이는 빛이 가장 잘 발작을 일으키고, 범위는 165번이라고 했습니다(Fisher 외, 2005). 이 전시는 무대가 크게 밝아지는 모든 변화를 하나의 관문 뒤에 둡니다. 새 봉우리는 앞 봉우리 뒤 0.34초가 지나야 시작할 수 있어 1초에 3번을 넘지 않고, 그보다 빨리 오는 뇌격은 새 번쩍임을 만들지 않고 이미 있는 빛에 합쳐집니다. 「깜빡임 약하게」를 켜면 봉우리 사이를 1초로 넓히고 밝기를 낮춥니다. 기기가 동작 줄이기를 요청하면 저절로 켜집니다.

그래서 무대는 뇌격이 수십 밀리초 간격으로 이어지는 실제 번개의 깜빡임을 제 속도로 보여 주지 않습니다. 대신 「느린 동작」 장면이 그 뇌격을 하나씩 보여 줍니다.

모형과 실제가 다른 점

첫 장면의 마을과 뇌우, 모든 거리는 실제 크기이고, 소리의 지연은 거리와 기온으로 정확히 계산합니다. 단순하게 만든 것도 있습니다.

• 번개 줄기는 땅 쪽으로 끌리는 무작위 걸음으로 키웁니다. 모양은 그럴듯하지만 측정한 어떤 번개를 그대로 옮긴 것은 아닙니다.
• 구름은 부드러운 덩어리로 만들고 번쩍임이 안에서 비추게 했습니다. 공기의 흐름을 계산하지는 않습니다.
• 「구름 속」 장면의 알갱이는 실제보다 수천 배 크고 시간은 빨리 흐릅니다. 전하가 쌓이는 방식은 규칙(부호는 온도로, 양은 충돌로)이지 미세물리 모형이 아닙니다.
• 소음 속에서 천둥이 들리는 거리는 간단한 소리 크기 모형을 씁니다. 실제 천둥은 줄기와 땅, 바람, 기온층에 따라 달라집니다.
• 「지구」 지도는 앞에서 말했듯 모형입니다. 1초에 44번, 육지와 바다의 비, 상위 지역의 값은 측정값이고 빛나는 모양은 추정입니다.
• 가까운 낙뢰 뒤에 가끔 구슬 번개가 나타납니다. 분광 기록 하나(Cen, Yuan, Xue, 2014)를 비롯해 실제로 있다는 증거가 있지만, 원리는 아직 학설이 갈립니다.

안내 투어와 실험실

안내 투어는 첫 번개를 세는 것부터 안전 수칙까지 19단계로 이어집니다. 단계마다 장면, 시점, 거리, 번개 종류를 맞춰 줍니다. 「조작」 탭에는 같은 설정이 있어 마음대로 바꿀 수 있고, 「부품」 탭은 일곱 장면에 걸친 31개 부품을 보여 주며 누르면 그곳으로 날아갑니다.

무대 아래 실험실은 여러분이 한 것을 남깁니다. 과제는 브라우저에 저장되고 풀면 별표가 붙습니다. 번개 도감은 종류와 장소와 기록을 무대에서 볼 때마다 표시합니다. 숨은 볼거리는 무대에서 누르면 카드가 열리는 것들이고, 언덕 너머의 소리 없는 번쩍임이나 뇌우 위의 스프라이트, 가까운 낙뢰 뒤의 빛나는 공처럼 가끔만 나타나는 것도 있습니다. 「최근 실험」 표에는 최근 번개 10번의 거리, 뇌격 수, 전류가 남습니다.