한낮, 햇빛이 따사로이 비춰야 하는 시간에 온 세상을 삼킨 듯한 어둠이 찾아올 때가 있습니다. 어렸을 때 이런 날이면 볼일을 보러 나왔다가도 서둘러 집으로 도망치듯 뛰어오곤 했습니다. 급한 걸음을 옮길 때 뒤에서 ‘번쩍’하는 빛이 보였고, 몇 초 후에 아주 큰 천둥 소리가 들렸습니다. 우리가 보통 ‘천둥번개’라고 하는 이러한 일기 현상은 어떻게 발생하는 걸까요?

번개란?

번개 치는 모습하늘과 땅 사이의 전위차가 커지면 방전이 일어나면서 생긴다.

물방울과 얼음 알갱이들로 이루어진 구름이 상승하다가 마찰을 일으키게 되면 아래쪽은 음전하로 대전이 되고 위쪽은 양전하로 대전이 됩니다. 대전된 구름이 이동하게 되면 아래쪽의 음전하에 의해 땅위는 양전하로 대전이 되게 되고 구름 아래쪽과 땅 위는 기전력의 차이에 의해 방전이 일어나게 됩니다.

이 때 전위¹⁾차가 1억~10억V(참고로, 가정의 전압은 220V)에 이르고, 방전로의 길이는 수km로부터 십수km에 이릅니다. 번개는 좁은 의미로는 이 방전에 의한 발광 현상을 말합니다. 이때 나오는 빛은 약 3×10⁸m/s 의 속도로 이동하기 때문에 순식간에 우리가 볼 수 있는 것이죠.

천둥이란?

천둥이라는 것은 번개가 나타날 때 같이 나타나는 소리를 말합니다. 위에서 언급한 대로 번개가 칠 때의 전위차가 매우 크기 때문에 30000K의 고온이 발생하여 초음속으로 공기가 팽창하게 되므로(온도가 올라가면 공기의 부피가 증가), 기압의 충격파를 일으켜 천둥을 울리게 되는 것입니다. 천둥 그 자체는 0.5 초 이하의 단시간에 일어나지만, 번개가 도달하는 거리가 보통 2~14km에 이르기 때문에 우리에게 도달하는 시간이 지연되게 되어 소리가 길게 끌면서 들려서 마치 오랫동안 번개가 치는 듯한 착각을 들게 하는 것입니다.

번개를 피하려면?

피뢰침뾰족한 모양이 전하를 많이 모이게 하는 효과가 있다.

번개는 수많은 인명과 산림의 피해를 주기도 하지만 한편으로 식물들에게 질소를 땅으로 돌려줌으로서 자연을 돕기도 합니다. 차를 타고 가다가 번개가 치면 무서워서 차 속에서 나와서 숨으려고 하는 사람들이 있는데, 이것은 아주 위험한 행동 중의 하나입니다. 전하는 항상 도체 표면에만 존재를 하기 때문에 차 내부에는 전하가 존재하지 않습니다. 그러므로 차 속에서 번개를 맞게 되더라도 내부의 사람은 안전하게 살아남을 수가 있는 것이죠.

또한 전하는 뾰족한 곳에 많이 존재합니다. 빌딩 옥상의 피뢰침²⁾도 이러한 사실을 이용하여 만들어진 것으로, 빌딩에 번개가 치더라도 피뢰침에 맞게 되어 건물과 건물 내부의 사람들을 보호하게 하는 데 목적이 있습니다.

항상 번개가 친 다음에 천둥 소리가 들리는 이유는?

천둥번개가 칠 때를 살펴보면 항상 번개가 번쩍 한 후에 얼마 지나서 '우르르 쾅' 하는 천둥 소리가 들린다. 이것은 빛과 소리의 속도가 차이 나기 때문이다. 소리의 속도는 상온의 대기에서 약 340m/s이고, 빛의 속도는 진공 속에서는 299792458m/s로 공기 중에서는 진공 중에서의 속도보다 느리지만 큰 차이는 없다. 따라서 속도가 훨씬 빠른 빛(번개)이 소리(천둥)보다 항상 먼저 도착하는 것이다.

[네이버 지식백과] 천둥, 번개는 왜 생기나요? (과학선생님도 궁금한 101가지 과학질문사전, 2011. 7. 30., 의정부과학교사모임)

빛이 소리보다 빨라요.