신문은 선생님

비가 많이 오는 날 하늘에서 번개가 치는 모습을 본 적 있나요? 번개는 천둥과 비를 몰고 다니는 뇌우 구름인 적란운에서 발생해요. 일반 구름과 달리 마치 탑처럼 세로로 높이 발달한 모양인데, 이 안에 있는 물방울과 얼음이 충돌하면 생기는 게 번개랍니다.

과연 어떤 원리일까요? 수증기는 위로 올라가려고 하고, 구름 위쪽에서 만들어진 무거운 얼음은 중력 때문에 아래로 떨어지려고 합니다. 이 과정에서 충돌이 일어나죠. 이때 물방울에서 떨어져 나온 전자가 얼음으로 옮겨갑니다. 전자를 얻어 음(-)전하가 된 얼음 입자는 무거우니까 아래쪽에 모이고, 반대로 전자를 잃어 양(+)전하가 된 물방울 입자는 구름 위로 올라갑니다. 구름 위아래의 전하 차이가 매우 커지면 극히 짧은 순간에 양전하에서 음전하로 전류가 흐르면서 '번쩍' 하고 하얀 섬광이 일어나요. 이게 바로 번개입니다. 우리가 눈으로 볼 수 있는 번개는 지면에서 고도 11㎞까지인 대류권에서 발생해요.

그런데 이보다 훨씬 높은 대기에서도 번개가 칩니다. 우리가 지상에서 두 눈으로 볼 수는 없지만 이런 번개를 '과도 발광 현상(TLE)'이라고 불러요. 과도 발광 현상은 상층 대기에서 일어나는 거대한 불꽃놀이 같습니다.

오늘은 그중 가장 대표적인 블루 제트(Blue Jet)와 레드 스프라이트(Red Sprites)를 알아보겠습니다. 대류권 위 성층권(11~50㎞)에서 나타나는 블루 제트는 아래로 치는 대신 위로 치는 번개예요. 뇌우 구름 상부의 양전하와 성층권에 있는 음전하 사이에 강한 에너지 차이가 만들어지면 전류가 흐르며 번개가 쳐요. 양전하가 위쪽 음전하를 향해 위로 솟구치면서 공기 중 질소 분자와 충돌해 이온화하면서 파란색 원뿔형 섬광을 만듭니다.

레드 스프라이트는 더 높은 중간권(51~80㎞)에서 발생해요. 지상에 강한 번개가 칠 때 구름 속 양전하는 지상 쪽으로 방출됩니다. 이때 구름 상부에는 순간적으로 강한 음전하가 생겨요. 그런데 중간권은 성층권과 달리 양전하가 풍부한데요. 뇌우 구름 위쪽에 일시적으로 생긴 음전하와 중간권의 양전하 사이 에너지 차이 때문에 번개가 발생합니다. 높은 상공에서 구름 쪽을 향해 내려오면서 전하가 주변 질소 분자와 충돌해 붉은빛을 내요. 영어 뜻처럼 '붉은 요정'이라고 불릴 정도로 예쁘고 다양한 형태로 나타납니다.

그런데 블루 제트와 레드 스프라이트는 모두 질소 분자가 이온화해 발생하는데 왜 색깔이 다를까요? 바로 번개가 발생하는 고도 차이 때문이에요. 레드 스프라이트는 블루 제트보다 높은 고도에서 발생하지요. 고도가 높아질수록 대기 밀도는 낮아지고, 전자의 에너지도 함께 낮아집니다. 질소 분자는 상대적으로 에너지가 낮은 전자와 충돌할 때는 붉은색, 에너지가 높은 전자와 충돌할 때는 파란색 빛을 방출한답니다.