번개와 천둥 이야기

번개와 천둥 이야기

구름과 구름 사이 또는 구름과 땅 사이에서 번쩍이는 성광을 발하는 번개와 바로  뒤 이어 울리는 천둥소리는 자연의 놀라운 현상중 하나입니다. 거의 동시에 발생하기도 하고 또는 약간의 시간차가 나기도 하면서 발생하는 이 현상들에 대한 이야기를 해 보겠습니다.

번개는 어떻게 만들어지나

빙결 현상

뇌우 구름 내부에는 수많은 물방울과 얼음 입자가 존재합니다. 강한 상승 기류로 인해 이들 입자들이 구름 상부로 올라가면서 일부는 얼음 입자가 됩니다.

전하 축적

구름 내에서 물방울과 얼음 입자가 충돌하면서 정적 전기가 축적됩니다. 충돌 과정에서 얼음 입자는 양의 전하를, 물방울은 음의 전하를 얻게 됩니다. 그 결과, 구름의 상부는 양의 전하로, 하부는 음의 전하로 가득 차게 됩니다.

강한 전기장 형성

이러한 전하 분포로 인해 구름과 땅 사이에 강한 전기장이 형성됩니다.

이온화

전기장이 충분히 강해지면, 공기 분자는 이온화되어 양과 음의 이온으로 분리되며, 이를 이오니제이션이라고 합니다. 이 과정을 통해 공기의 절연성이 깨지고 전기적으로 도전성이 생깁니다. 즉 전기장이 강해지면 공기가 전기를 전달할 수 있게 됩니다.

번개 발생

이렇게 전기적으로 도전성이 생긴 공기 경로를 통해, 구름과 땅 사이에 있는 전하들이 급격히 이동하면서 번개가 발생합니다. 이때 번개의 빛은 주변 공기가 빠르게 가열되고 이온화되면서 발생하는 빛입니다.

번개의 모양이 다른 이유

전기장과 전하의 분포

번개의 모양은 구름 내부 및 주변의 전기장과 전하의 분포에 의해 크게 영향을 받습니다. 이 분포는 상황에 따라 다르기 때문에, 번개의 모양과 방향 또한 다양하게 나타납니다.

경로의 저항

번개는 저항이 가장 낮은 경로를 따라 이동합니다. 이 경로는 공기의 온도, 습도, 압력 등에 따라 변하게 되며, 따라서 번개의 모양도 다양해집니다.

분기와 재접촉

번개는 복잡한 과정을 거쳐 발생합니다. 이 과정에서 번개가 여러 번 분기하거나 다른 부분과 재접촉하게 되면, 다양한 모양의 번개를 생성할 수 있습니다.

대기의 특성

대기의 특성과 조건 또한 번개의 모양에 큰 영향을 미칩니다. 공기의 이온화 상태, 온도, 습도 등이 번개의 경로와 모양에 영향을 미칩니다.

천둥이 생성되는 과정

번개 발생

번개는 강력한 전류를 통해 공기를 급격히 가열합니다. 이로 인해 번개의 경로 주변의 공기 온도는 30000도 섭씨 정도까지 상승하게 됩니다. 이러한 고온은 태양의 표면 온도보다 더욱 높습니다.

공기 팽창

이렇게 갑작스럽게 가열된 공기는 극히 빠르게 팽창하게 됩니다. 이는 압력파를 만들어 내고, 이 압력파가 공기 중을 통과하면서 소리를 만들어냅니다.

소리 파동

이 압력파는 공기 중에서 확산되면서 우리가 천둥소리로 인식하게 됩니다.

천둥소리가 다르게 들리는 이유

거리

번개와의 거리에 따라 천둥소리는 달라집니다. 가까운 천둥은 높고 강렬한 '박' 소리로 들리지만, 멀리서 들리는 천둥은 '굴렁굴렁' 소리로 들립니다. 이는 소리의 주파수가 공기를 통과할 때 저주파(낮은 빈도) 소리가 더 멀리 전달되는 경향이 있기 때문입니다.

번개의 형태

번개의 형태와 길이에 따라서도 천둥의 소리는 달라집니다. 번개가 구부러지거나 가지를 뻗는 경우, 천둥소리는 더 복잡하고 긴 시간 동안 들릴 수 있습니다.

주변 환경

건물, 산, 숲 등 주변의 대형 물체는 천둥소리가 울리는 방식을 바꿀 수 있습니다. 이러한 물체들은 소리 파동을 반사, 흡수, 또는 산란시키는 역할을 하며, 이로 인해 천둥소리가 달라질 수 있습니다.

대기 조건

온도, 습도, 바람 등 대기의 상태도 천둥소리에 영향을 줍니다. 이들 요인은 소리가 공기 중을 어떻게 전달되는지에 영향을 미치므로 천둥의 소리를 변경할 수 있습니다.

번개와 천둥 사이의 시간 차이

천둥소리가 들리기 전에 번개가 먼저 보이는 이유는 다음과 같습니다.

빛과 소리의 속도 차이

빛의 속도는 약 300,000 킬로미터/초이며, 소리의 속도는 약 343 미터/초입니다. 따라서 번개가 발생할 때, 번개의 빛은 거의 즉시 도달하는 반면, 천둥소리는 도달하는 데 더 많은 시간이 필요합니다. 또한 이 시간 차이를 이용하면 번개가 얼마나 떨어져 있는지 대략적으로 추정할 수 있습니다.

번개를 보고 천둥 소리를 듣는 사이의 시간(초)을 3으로 나누면, 그 결과는 대략적으로 번개가 몇 킬로미터 떨어져 있는지를 나타냅니다.

예를 들어, 번개를 보고 나서 9초 후에 천둥소리를 듣는다면, 그 번개는 대략 3킬로미터 떨어져 있다고 추정할 수 있습니다. 이 방법은 완벽하지는 않지만, 번개가 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 대략적으로 판단하는 데 도움이 됩니다.

뇌우의 거리

뇌우가 멀어질수록 번개와 천둥 사이의 지연 시간이 길어집니다. 소리가 더 먼 거리를 커버해야 하기 때문에 시간이 걸립니다. 반대로 뇌우가 가까우면 번개를 보는 것과 천둥을 듣는 것 사이의 간격이 더 짧아집니다.

온도 및 습도

미미한 영향이기는 하지만 소리의 속도는 온도 및 습도와 같은 요인의 영향을 받을 수 있습니다. 소리는 따뜻한 공기에서 더 빨리 전달되고 차가운 공기에서 더 느리게 전달되고  건조한 공기보다 습한 공기에서 더 빨리 전달됩니다.

번개와 천둥의 유사점 및 차이점

유사점

원리: 번개와 천둥 모두 뇌우구름 내에서 발생하는 현상입니다.

에너지 방출: 번개와 천둥은 둘 다 뇌우구름 내부에서 축적된 에너지를 방출하는 방법입니다.

차이점

형태: 번개는 빛의 형태로 나타나며, 구름과 땅 사이에서 급격한 전기 이동을 나타냅니다. 반면에 천둥은 소리의 형태로, 번개로 인해 빠르게 가열되고 팽창하는 공기가 생성하는 소리입니다.

감지 방법: 번개는 시각적으로 관찰할 수 있습니다. 그러나 천둥은 청각적으로 들을 수 있습니다. 빛이 소리보다 더 빠르게 이동하기 때문에, 우리는 보통 번개를 먼저 보고 나중에 천둥소리를 듣게 됩니다.

위험성: 번개는 직접적으로 생명과 재산에 위협을 가할 수 있습니다. 사람이나 동물이 번개에 직접 맞거나, 번개로 인해 발생하는 화재 등이 이에 해당합니다. 반면에 천둥 자체는 물리적으로 위험을 가하지 않지만, 강한 소리로 인해 심하게 놀라는 현상을 일으킬 수 있습니다.

생성 과정: 번개는 구름 내에서 축적된 전하들이 이동하는 과정에서 발생합니다. 반면, 천둥은 번개의 발생으로 인해 주변 공기가 급속히 팽창하면서 생성되는 소리입니다.