하늘이 번쩍입니다. 잠시 뒤 천둥이 들리는데, 빛은 이미 사라졌어도 소리는 우르르 길게 이어집니다. 번개가 보이지 않는 곳에서 계속 치고 있는 걸까요?
그럴 때도 있겠지만, 천둥이 길다고 반드시 새로운 번개가 계속 생기는 것은 아닙니다. 긴 번개 통로의 여러 부분에서 생긴 소리가 서로 다른 시각에 도착할 수 있기 때문입니다. 눈에 한 장면으로 들어온 공간이 귀에는 시간차로 펼쳐지는 셈입니다. [1]
The Modern Polymath · CC BY 4.0 · Wikimedia Commons
천둥의 출발점은 구름끼리의 충돌이 아닙니다
천둥을 구름 두 덩어리가 부딪치는 소리라고 상상하기 쉽습니다. 실제로 소리를 만드는 직접적인 원인은 번개가 흐르는 좁은 공기 통로의 급격한 가열입니다. 매우 짧은 시간에 큰 에너지가 전달되면 뜨거워진 공기가 급팽창하고 주변 공기를 압축합니다. 이렇게 생긴 충격파가 바깥으로 퍼져 나갑니다. [3]
처음부터 끝까지 같은 세기의 충격파로 남는 것은 아닙니다. 미국 국립심각폭풍연구소(NSSL)는 방전 통로 가까이에서 만들어진 충격파가 전파되며 보통의 음파로 바뀐다고 설명합니다. 우리가 듣는 천둥은 이 압력 변화가 귀에 도달한 결과입니다. [4]
구름 안에서는 얼음 입자의 충돌과 이동이 전하가 나뉘어 쌓이는 데 관여합니다. 이 과정은 번개가 생길 전기적 조건을 마련하는 쪽입니다. 입자들이 전하를 주고받는 과정과 번개가 공기를 가열해 소리를 만드는 과정을 구분하면, ‘구름이 부딪쳐 천둥이 난다’는 설명에서 어디가 생략됐는지 보입니다. [4]
Mike Coniglio / NOAA NSSL · Public domain · Wikimedia Commons
소리는 낙뢰 지점 한 곳에서만 출발하지 않습니다
번개를 지도 위에 표시된 낙뢰 지점 하나로 생각하면 천둥도 그곳에서 한 번 ‘쾅’ 하고 끝날 것 같습니다. 그러나 공기를 가열하는 방전 통로는 하늘에 길게 뻗어 있습니다. 소리의 출발점도 그 통로를 따라 분포합니다. 가까운 부분에서 온 소리가 먼저, 더 먼 부분에서 온 소리가 나중에 들릴 수 있습니다. [1]
간단한 계산으로 생각해 보겠습니다. 같은 통로 위의 두 부분이 거의 동시에 소리를 냈고, 그 소리가 일정한 속도로 곧장 온다고 가정합니다. 음속은 설명을 위해 초속 340m로 잡겠습니다. 영국 기상청 설명의 반올림 값으로, 실제 음속은 대기 조건에 따라 달라집니다. [2]
| 소리가 시작된 부분 | 듣는 사람까지의 거리 | 도착까지 걸리는 시간 |
|---|---|---|
| 가까운 부분 A | 1,020m | 3초 |
| 먼 부분 B | 3,060m | 9초 |
거리 ÷ 속도로 계산하면 두 소리는 6초 간격으로 도착합니다. 이 가상 예시에서는 그 사이에 새 번개를 추가하지 않아도 됩니다. 실제 통로에는 두 점만 있는 것이 아니므로 여러 부분의 소리가 겹쳐 들립니다. 이 계산은 메아리나 반복 방전을 넣지 않아도 경로의 거리 차이만으로 소리의 도착 시각이 벌어질 수 있음을 보여 줍니다.
여기서 1,020m와 3,060m는 통로를 따라 잰 길이가 아니라, 각 부분에서 듣는 사람까지의 거리입니다. 따라서 천둥이 6초 이어졌다고 해서 번개 자체의 길이가 곧바로 2,040m라고 역산할 수는 없습니다. 같은 길이의 통로라도 방향과 굽은 모양, 듣는 위치가 다르면 각 부분까지의 거리가 달라집니다.
André Karwath aka Aka · CC BY-SA 2.5 · Wikimedia Commons
눈에 한 번 보인 섬광도 한 번의 방전은 아닐 수 있습니다
소리의 이동 시간과 별개로, 번개 쪽에도 짧은 반복이 있을 수 있습니다. NSSL이 설명하는 흔한 음극성 구름-지면 번개에서는 선도 방전이 아래로 길을 뻗습니다. 지상에서 올라온 통로와 연결된 뒤에는 밝은 귀환 뇌격이 그 길을 따라 위쪽으로 전파됩니다. [5]
이후 비슷한 경로를 다시 밝히는 방전이 이어질 수 있습니다. 하나의 섬광, 즉 flash에 여러 뇌격인 strokes가 포함될 수 있다는 뜻입니다. 다만 이것을 모든 번개의 고정 순서로 일반화하면 안 됩니다. 지면에 닿지 않고 구름 안에서 이어지는 번개도 많습니다. [5]
따라서 긴 천둥을 이해할 때는 두 질문을 나누는 편이 좋습니다. ‘소리가 언제 만들어졌는가’와 ‘그 소리가 언제 내게 도착했는가’입니다. 반복 방전은 앞의 질문에, 긴 통로의 거리 차이는 뒤의 질문에 해당합니다. 사진 한 장이나 귀에 들린 한 번의 울림만으로 둘의 몫을 정확히 나누기는 어렵습니다.
Maxime Raynal · CC BY 2.0 · Wikimedia Commons
번쩍인 뒤의 침묵과 우르르 이어지는 소리는 다릅니다
번개를 보고 천둥이 시작될 때까지 기다리는 시간은 빛과 소리의 속도 차이에서 비롯됩니다. 영국 기상청은 그 간격을 초로 세어 3으로 나누면 대략적인 거리를 km로 얻을 수 있다고 설명합니다. 이때 재는 것은 첫 소리가 들리기 전의 간격이지, 천둥이 끝날 때까지 계속된 시간이 아닙니다. [2]
이 값도 방전 전체를 지도에 그려 주지는 않습니다. 앞의 가상 예시처럼, 소리가 난 여러 부분 가운데 먼저 들린 부분까지의 이동 시간을 반영하기 때문입니다. 지면의 정확한 낙뢰 위치나 뒤이어 올 번개의 위치를 알아내는 계산으로 사용해서는 안 됩니다.
야외에서 시간을 재며 기다릴 필요도 없습니다. 미국 기상청은 천둥이 들린다면 낙뢰 위험 범위일 수 있으므로 즉시 안전한 곳으로 이동하라고 안내합니다. 여기의 계산은 이미 안전한 실내에서 현상을 이해하기 위한 설명입니다. [3]
Postdlf · CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons
그렇다면 빛만 보이는 번개는 무엇일까요?
먼 하늘이나 구름이 조용히 번쩍이는 경우도 있습니다. 미국 기상청은 영어로 heat lightning이라 부르는 현상이 열 때문에 생긴 특별한 무음 번개가 아니라, 먼 뇌우의 빛을 보는 경우라고 설명합니다. 실제 번개 통로는 지형이나 구름에 가려지고 밝아진 하늘만 보일 수도 있습니다. [7]
빛을 봤다는 사실과 천둥이 들릴 조건이 갖춰졌다는 사실은 같지 않습니다. 소리가 들리는 거리는 주변 환경에 따라 달라집니다. 미국 기상청 멜버른 지부의 해설은 강한 비와 바람이 있을 때 가청 거리가 줄어들고, 차분하고 조용한 밤에는 더 먼 천둥을 들을 수 있다고 설명합니다. 특정 거리를 넘는 순간 천둥이 사라지는 고정된 경계선으로 이해해서는 안 됩니다. [8]
대기 조건에 따라 소리가 지표에서 멀어지는 쪽으로 굽을 수도 있습니다. ‘안 들린다’는 것이 ‘소리가 안 났다’는 뜻은 아닙니다. [2]
JJ Harrison · CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons
사진 속 선을 넘어, 구름 안의 경로를 읽다
사진은 밝은 통로의 모양을 보여 주지만 구름에 가려진 부분과 빠른 진행 순서를 모두 보여 주지는 못합니다. 이 점에서 번개 연구는 흥미롭습니다. NSSL의 오클라호마 번개 매핑 관측망은 방전 통로의 여러 지점을 3차원으로 지도화합니다. 연구자는 이를 통해 번개가 구름 어디서 시작해 어떤 공간으로 퍼지는지 살펴봅니다. [6]
여기의 풍경 사진들도 소리가 어느 순서로 도착했는지를 측정한 자료는 아닙니다. 한 장에 여러 밝은 선이 있어도 노출 시간과 촬영 방식부터 확인해야 합니다. 통로의 공간적 모양을 살펴보는 자료와 개별 방전의 시각을 판별하는 자료는 구별할 필요가 있습니다.
Mathias Krumbholz · CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons
천둥을 다시 떠올려 보세요. 첫 소리 전의 잠깐 고요함은 빛과 소리의 이동 속도가 다르다는 단서이고, 이어지는 울림에는 긴 통로와 방전의 시간 구조가 함께 담길 수 있습니다. 번개가 짧게 보였다고 해서 그 소리까지 짧게 도착해야 하는 것은 아닙니다. 창조 세계의 익숙한 현상도, 무엇이 생겼는지와 그것이 어떻게 우리에게 왔는지를 나누어 보면 새롭게 읽힙니다.