재미있는 과학

'번쩍! 우르르 쿵쾅!' 최근 전국에 돌풍과 함께 천둥·번개가 치고, 소나기가 내리는 곳이 많아졌어요. 강한 바람에 많은 비가 내리기만 해도 불안한데, 눈앞이 번쩍하며 우렁찬 천둥소리까지 들리면 무척 겁이 나지요? 이렇게 무서운 천둥·번개는 왜 일어나는 것일까요?

번개가 치는 이유를 알지 못한 옛날 사람들은 이것을 신(神)의 분노로 여겼어요. 그래서 큰 잘못을 저지른 사람은 더욱 두려움에 떨었지요. 지금과 달리 옛날에는 사람이 벼락에 맞아 죽는 사고도 빈번하게 일어났고요. 번개의 비밀을 밝히려는 시도는 매우 뒤늦게 이루어졌는데, 번개에 대해 연구하는 것을 신에 대한 도전으로 생각하는 사람이 많았기 때문이랍니다.

미국 과학자인 벤저민 프랭클린은 번개가 정전기 현상과 닮았다고 생각하고, 1752년 위험한 실험을 시도해요. 연(鳶)을 하늘 높이 띄워 번개가 연에 떨어지게 한 거예요. 프랭클린의 생각대로 연에 떨어진 번개는 순식간에 연줄을 타고 내려와 연줄 끝에 달아놓은 금속 열쇠까지 도달했어요. 프랭클린이 열쇠를 만진 순간 전기불꽃이 일었는데, 그것은 번개가 전기라는 사실을 증명하는 것이었지요. 또한 번개가 구름과 지면 사이에서 일어나는 거대한 정전기 현상이란 사실도 함께 밝혔습니다. 하지만 이 실험은 매우 위험해서 여러 과학자가 프랭클린과 같은 실험을 하다가 번개에 감전되어 사망했다고 해요.

번개가 치는 원리를 이해하려면, 우선 '정전기 유도 현상'을 알아야 해요. 책받침이나 풍선을 옷, 머리 등에 마찰시킨 뒤 작게 자른 종이에 가져다 대면 종이가 달라붙는 것을 본 적 있지요? 이런 현상이 일어나는 이유는 마찰전기 때문이에요. 물질은 원자라는 기본 물질로 구성되어 있고 원자는 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있어요. 전자에는 자유전자라는 것이 있는데 자유전자는 마찰이나 외부 자극에 의해 쉽게 떨어져 나가거나 다른 원자에 달라붙을 수 있어요. 즉, 전자가 떨어져 나가면 물체는 '+전기(양전하)'를 띠고, 전자가 붙으면 '-전기(음전하)'를 띠게 되지요. 이것을 '대전(帶電)'이라고 해요. 전기는 자석처럼 같은 극끼리 밀어내고 다른 극끼리는 잡아당기는 성질이 있어요. 풍선을 마찰하면 전자를 얻어 음전하를 띠게 되는데, 이것을 종이에 가져다 대면 종이의 전자가 풍선의 음전하에 밀려 먼 쪽으로 밀려나고, 풍선과 가까운 쪽이 양전하를 띠게 돼요. 그래서 종이가 풍선에 달라붙지요. 이것이 바로 정전기 유도 현상이에요.

구름이 대전되는 이유는 구름 속 물방울과 얼음 알갱이들이 서로 마찰을 일으키기 때문이에요. 이 마찰력에 의해 구름 아래쪽은 음전하, 위쪽은 양전하가 되지요. 이렇게 대전된 구름이 땅 위를 지나가면 정전기 유도 현상에 의해 땅 위가 양전하를 띠면서 거대한 정전기인 번개가 일어나는 거예요. 또 번개는 구름과 구름이 부딪쳐 일어나기도 해요. 번개가 치는 순간에는 태양 표면 온도의 5배에 달하는 약 3만℃의 높은 열이 발생하는데, 이 열로 인해 공기가 빠르게 팽창하면서 충격파가 발생해요. 이 충격파의 소리가 바로 천둥입니다. 천둥은 번개와 동시에 일어나지만 보통 천둥소리는 번개가 친 이후에 들려요. 빛과 소리의 속도 차이 때문이지요. 빛은 1초에 30만㎞를 가지만, 소리는 1초에 340m밖에 이동하지 못하거든요.

번개가 치면 차에서 내려 나무 아래 같은 곳으로 숨으려는 사람도 있는데, 이는 매우 위험한 행동이에요. 전기는 도체(導體·전기가 통하는 물체)의 표면에만 흐르기 때문에 차에 벼락이 떨어진다고 해도 차 내부는 안전해요. 비행기를 타고 갈 때 번개가 쳐도 무서워할 필요 없어요. 번개가 비행기에 떨어지면 비행기의 양쪽 끝 부분을 통로 삼아 지나가기 때문에 비행기 내부에는 아무런 영향이 없으니까요. 프랭클린은 번개의 이러한 성질을 이용해 피뢰침(避雷針)을 발명했어요. 피뢰침은 건물 꼭대기에 설치한 뾰족한 금속 막대예요. 피뢰침은 벼락을 유인하여 피뢰침 근처의 사람이나 건물을 안전하게 지켜주지요. 피뢰침의 아랫부분은 땅과 닿아 있어서 벼락이 땅속으로 흘러들어 가게 합니다.

무섭게만 보이는 번개는 지구 환경에 이로운 역할을 하기도 해요. 식물이 잘 자라는 데 필요한 비료의 3요소는 '질소' '인산' '칼륨'인데, 공기 중의 질소는 식물이 양분으로 사용할 수 없어요. 하지만 벼락이 치면 질소가 압축되어 토양에 섞이기 때문에 벼락이 떨어진 곳은 질소 함량이 많아져 식물이 자라는 데 좋은 환경이 된답니다. 우리가 재해라고 느끼는 자연현상도 알고 보면 모두 지구 환경에 필요한 것이지요. 따라서 자연현상을 두려워하며 그것을 막으려고만 할 것이 아니라, 우리가 어떻게 자연현상과 조화를 이루며 살아갈 것인가를 고민해야 하지 않을까요?

[함께 생각해봐요]

빛과 소리의 속도를 이용해 번개가 친 곳과 현재 내가 있는 곳 사이의 거리를 구할 수 있을까요?

해설: 빛은 1초에 지구를 7바퀴 반이나 돌 정도로 빠르므로, 빛은 번개가 치는 동시에 보인다고 보아도 무방해요. 즉, 빛이 번쩍한 이후부터 몇 초 만에 천둥소리가 들리는지를 확인하고, 소리의 이동 속도(1초당 340m)를 곱하면 지금 자신의 위치로부터 번개가 친 장소까지의 거리를 계산할 수 있어요. 만약 빛이 번쩍하고 나서 5초 후에 소리가 들렸다면, 1700m 떨어진 곳에서 번개가 쳤다는 뜻이에요.


[관련 교과] 5학년 1학기 '전기 회로' 5학년 2학기 '물체의 속력' 6학년 1학기 '빛' 6학년 2학기 '날씨의 변화'