# What Causes Lightning? The Answer Keeps Getting More Interesting. 지구의 번개를 이해하는 방식을 바꾸기 전에, 조지프 드와이어(Joseph Dwyer)는 더 우주적인 환경의 날씨를 연구했다. 그는 100만 마일 떨어진 궤도를 도는 [NASA의 윈드(Wind) 위성](https://wind.nasa.gov/)에 실린 센서를 이용해 태양에서 분출되는 플레어를 관측하고, 태양 표면에서 흘러나오는 입자를 분석했다. 하지만 2000년 무렵 플로리다로 자리를 옮긴 뒤, 드와이어는 새로운 연구를 할 준비가 됐다고 느꼈다. 자신과 학생들이 직접 탐구할 수 있는 무언가를 원했다. 머지않아 열대 기후는 그의 사무실 창밖에 알맞은 수수께끼를 내놓았다. “바깥에서 쾅, 쾅, 쾅 하는 소리가 이어졌죠.” 드와이어는 말했다. “조사를 해보니 번개는 아직 풀리지 않은 문제라는 걸 알게 됐습니다.” 뇌우는 수천 년 동안 인류를 사로잡아 왔다. 그런데도 그 내부 작동 원리는 여전히 깊은 수수께끼로 남아 있다. 폭풍 구름은 불투명하다. 가까이 가면 위험하다. 게다가 실험실에 넣기에는 너무 크다. 호기심 많은 연구자들은 거의 300년 동안 연, 풍선, 로켓을 그 안으로 띄워 보냈고 많은 것을 알아냈다. 그러나 번개 연구자들이 현상에 더 가까이 다가갈 때마다, 이해에 큰 공백이 있다는 사실도 함께 드러났다. 지난 50년 동안 연구자들이 특히 집요하게 파고든 공백은 하나였다. 우리가 번개라고 부르는, 들쭉날쭉한 초고온 공기 통로는 도대체 어떻게 시작되는가? 최근 이 분야는 일종의 르네상스를 맞았다. 드와이어처럼 천체물리학에서 넘어온 연구자들을 포함해 많은 과학자가 구름 내부를 들여다볼 새로운 방법을 고안했기 때문이다. 이들은 격렬한 우주 현상을 연구하려고 만든 온갖 장비를 지상 뇌우의 난폭한 현상에 돌렸다. 그 결과, 번개가 지그재그로 나아가며 엑스선(X-rays)을 쏘아내는 모습이 관측됐고, 뇌운(thunderclouds)에서 감마선(gamma rays)의 깜박이는 빛이 포착됐으며, 아주 최근에는 번개가 예상 밖의 방향으로 이동한다는 단서까지 발견됐다. 아직 모든 조각이 맞춰진 것은 아니다. 하지만 번개에 대한 새로운 이해가 서서히 형태를 갖추고 있다. 이 무시무시한 섬광은 한때 물리학자들이 상상했던 거대한 전기 스파크와는 점점 덜 닮아 보인다. 전기가 중심 역할을 하기는 하지만, 번개는 우주 폭발에서 입자물리학에 이르기까지 물리학 전반의 영향을 받아 형성되고 모양이 정해진다. 특히 번개를 촉발하려면, 보송보송한 구름보다 초신성(supernovas), 블랙홀(black holes), 입자 가속기(particle colliders)와 더 잘 어울릴 법한 극한 사건이 필요한 듯하다. “고에너지 과정(high-energy processes)이 번개 개시(lightning initiation)에 결정적 역할을 한다는 데 점점 더 많은 합의가 형성되고 있습니다.” 뉴멕시코 공대(New Mexico Tech)의 대기물리학자 [카이타노 다 실바(Caitano da Silva)](https://www.nmt.edu/academics/physics/faculty/cdasilva.php)는 이렇게 말했다. “이 분야에 몸담기에는 정말 흥미로운 시기입니다.” ## Trigger Point 번개가 하늘을 가를 때, 고대 그리스인과 스칸디나비아인, 그리고 힌두교 문화권 사람들은 그 섬광을 신들의 전쟁으로 보았다. 천둥이 가슴을 울릴 때 중국인들은 신이 악인을 벌한다고 느꼈다. 오늘날에도 뇌우의 위력은 사람들에게 경외심을 안긴다. “저는 브라질에서 번개를 많이 동반한 거대한 한랭전선이 밀려오는 모습을 보며 자랐습니다.” 다 실바는 말했다. “정말 무서웠죠.” 두려움은 매혹을 낳는다. 하지만 수세기에 걸친 탐구에도 불구하고, 다 실바 같은 물리학자들은 여전히 고대인들과 같은 질문을 던진다. 번개는 어떻게 시작되는가? 한동안 연구자들은 답을 찾았다고 생각했다. 18세기와 19세기에 물리학자들이 전기의 정체를 밝혀 가면서, 원하는 때에 큰 스파크를 만드는 법도 알게 됐다. 한 금속 구에 전하를 쌓아 두고, 다른 구를 가까이 가져가면 둘 사이로 스파크가 튄다. 나중에 연구자들이 물질의 구조를 이해하게 되자 그 이유도 알게 됐다. 분리된 전하가 두 구 사이에 전기장(electric field)을 만든다. 이 전기장이 임계 강도, 즉 대략 미터당 300만 볼트에 이르면 공기가 무너지기 시작한다. 전기장은 느슨하게 묶여 있던 전자를 이웃 원자로 내던지고, 그 전자들은 다시 더 많은 전자를 떼어낸다. 가파른 산비탈의 눈처럼 전자들은 “눈사태(avalanche)”를 일으키고, 공기를 달궈 빛나게 만든다. Mark Belan/Quanta Magazine 벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 1752년의 유명한 연 실험에서 실험실의 스파크와 하늘의 번개를 연결했다. 그 뒤 200년 동안 연구자들은 폭풍 구름 속에서 일어나는 일도 금속 구 사이에서 일어나는 현상과 정확히 같고, 단지 규모만 더 클 뿐이라고 믿었다. 번개의 수수께끼는 풀린 듯했다. 하지만 20세기 중반 물리학자들이 연 대신 로켓과 트럭 크기의 기상 관측용 풍선을 이용해 구름을 조사하기 시작하자 문제가 드러났다. 구름에도 전기장은 있다. 아주 작은 얼음 결정들이 카펫 위 양말처럼 서로 비벼지고, 여분의 전자를 가진 결정들이 대체로 구름 아래쪽에 쌓인다. 하지만 이 전기장은 약하다. 보통의 뇌우는 스파크를 일으키는 데 필요한 전기의 10분의 1 정도밖에 없고, 지금까지 측정된 가장 강한 전기장도 임계 강도의 3분의 1에 불과하다. 그런데 [NASA 위성](https://sos.noaa.gov/catalog/datasets/lightning-flash-rate/)에 따르면 지구 전역에는 어느 순간이든 2,000개가 넘는 뇌우가 존재한다. 완만한 초보자용 슬로프에서 눈사태가 쏟아지는 셈이니, 수수께끼일 수밖에 없다. “전통적 절연 파괴 임계값(conventional breakdown threshold)보다 훨씬 위까지 전기장을 끌어올려야 합니다.” 오클라호마대학 산하 극한·고영향 기상 연구운영 협력연구소의 연구자 [마이클 스톡(Michael Stock)](https://www.ou.edu/ciwro/about/people/staff/michael-stock)은 이렇게 말했다. “그런데 자연에서는 그런 일이 일어나지 않는 것처럼 보입니다.” 눈에 보이는 번개는 공기가 뜨겁고 전하를 띤 아원자 잔해들로 무너졌다는 뜻이다. 그렇다면 전기장을 임계값 너머로 밀어붙인 어떤 초강력 과정이 있었거나, 아니면 다른 과정이 공기 분자를 붕괴시켰어야 한다. 문제는 그것이 무엇이냐는 것이다.  1752년 벤저민 프랭클린은 유명한 연 실험을 수행했다. 위 그림은 벤저민 웨스트(Benjamin West)가 1816년 무렵 그 장면을 그린 것이다. 이 실험은 번개와 전기의 연관성을 확립했다. 퍼블릭 도메인 한 가지 단서는 다시 프랭클린에게서 나온다. 그는 뾰족한 끝이 스파크를 시작하거나 받아들이기 쉽다는 점을 관찰했다. 오늘날 물리학자들은 그 이유를 안다. 뾰족한 도체가 주변 전기장을 강화하기 때문이다. 1960년대와 1970년대에 플로리다와 프랑스의 물리학자들은 뾰족한 끝을 단 작은 로켓을 폭풍 구름 속으로 쏘아 올려, 의도적으로 번개를 유발하기 시작했다. 로켓 뒤로는 전선이 풀려 나오며 번개를 지면까지 유도했다. 대부분의 폭풍 구름에는 로켓에 단 다트가 없지만, 얼음 결정은 있다. 그중 일부는 연필 지우개만큼 커지기도 한다. 이런 얼음 덩어리도 도체이며, 뾰족한 파편처럼 길게 늘어질 수 있다. 물리학자들은 충분히 긴 얼음 파편이 전기장 강도를 10배 이상 높일 수 있고, 이런 이른바 수권입자(hydrometeors)가 여러 개 함께 작용하면 더 큰 효과를 낼 수 있다고 추정했다. 다시 한번, 수수께끼는 풀린 듯했다. 하지만 물리학자들이 우주에서 폭풍을 관측하기 시작하자, 뇌운은 생각보다 훨씬 이상하다는 사실이 드러났다. ## Runaway Avalanches 1994년, 심우주의 극단적인 폭발을 찾던 한 위성이 우연히 뇌운에서 나오는 감마선 섬광을 포착했다. 종종 번개와 함께 나타나는 현상이었다. 감마선은 가장 에너지가 높은 빛으로, 보통은 죽어가는 별의 마지막 숨결이나 두 중성자별의 [파국적 충돌](https://www.quantamagazine.org/extra-long-blasts-challenge-our-theories-of-cosmic-cataclysms-20231211/)을 뜻한다. 얼음 조각이 아무리 날카로워도, 구름에서 나올 것이라 기대할 만한 것은 아니었다. 아원자 입자의 빠르고 격렬한 세계에서 무언가가 벌어지고 있었던 것이다. 이 무렵 드와이어는 플로리다의 우렁찬 번개 폭풍을 목격했고, 그 기원의 수수께끼를 알게 됐다. 천체물리학자였던 그는 아원자의 세계에 익숙했다. 그는 노벨상 수상자 C.T.R. 윌슨(C.T.R. Wilson)의 연구도 알고 있었다. 윌슨은 빛의 속도에 가깝게 움직이는 “상대론적(relativistic)” 전자는 공기 중 원자로부터 거의 저항을 받지 않을 것이라고 가정했다. 다 실바는 이를 눈발을 뚫고 날아가는 총알에 비유한다. 따라서 충분히 빠른 전자는 전기장 속에서 점점 더 빠르게 “폭주(run away)”할 수 있다. 드와이어는 러시아 물리학자 알렉산드르 구레비치(Aleksandr Gurevich)가 1992년에 이런 폭주 전자 하나가 많게는 10만 개에 이르는 전자 폭포를 일으킬 수 있다고 보였다는 점도 알고 있었다. 이것은 실험실 스파크를 시작시키는 눈사태와 비슷하지만, 수백에서 수천 미터에 걸쳐 전개된다. 또 그는 이 상대론적 폭주 전자들이 공기 분자에 부딪힐 때 감마선을 방출할 수 있다는 점도 알고 있었다.  플로리다에서는 번개가 흔하다. 이 번개는 1983년 8월 30일 케네디 우주센터의 우주왕복선 챌린저 발사대에 내리쳤다. NASA 그 자체만으로는 이런 극단적인 아원자 현상이 폭풍 구름을 밝히는 강렬한 감마선을 설명하기에 충분히 풍부해 보이지 않았다. 하지만 드와이어는 한 번의 눈사태가 또 다른 눈사태를, 또 그다음 눈사태를, 연쇄적으로 바로 같은 자리에서 일으킬 수 있는 정교한 과정을 떠올렸다. 드와이어의 과정에 따르면, 눈사태 속 전자 하나가 원자와 충돌할 때 튕겨 나가며 감마선을 낼 수 있다. 이 감마선은 전자 하나와 그 반물질 쌍둥이인 양전자(positron)로 변한다. 그러면 구름의 전기장이 양전자를 눈사태가 시작된 쪽으로 되밀어 보낸다. 양전자는 그곳에서 다른 원자와 충돌해 또 다른 눈사태를 일으킬 수 있다. 그러면 더 많은 감마선, 더 많은 양전자, 더 많은 눈사태가 생긴다. 이런 일이 반복되면 마침내 궤도에서도 보일 정도의 섬광이 만들어진다. “마이크를 스피커 바로 옆에 갖다 대는 것과 비슷합니다.” 현재 뉴햄프셔대학에 있는 [드와이어](https://ceps.unh.edu/person/joseph-dwyer)는 이렇게 말했다. “순식간에 엄청 크게 울릴 수 있죠.” 이렇게 쌓이는 상대론적 폭주 눈사태는 감마선을 설명할 수 있다. 또 번개 개시에도 기여할 수 있다. 눈사태 연쇄가 진행되면서 전자들은 앞쪽에 쌓이고, 뒤에는 양전하를 띤 이온이 남는다. 그 결과 구름의 전기장이 더 강해진다. 컴퓨터 시뮬레이션에서 드와이어는 이 연쇄 사건이 눈사태를 증폭하고, 감마선을 방출하며, 전기장을 끌어올린다는 점을 보였다. 비슷한 시기에 얼음 파편을 정밀하게 시뮬레이션한 연구는 그것들이 실제로 얼마나 날카로워질 수 있는지도 보여줬다. 답은 “그리 날카롭지 않다”였다. 이 때문에 수권입자 이론도 점차 힘을 잃기 시작했다. 그렇다면 드와이어의 상대론적 폭주 눈사태는 정말 구름 안에서 일어나고 있는가? 그리고 이것이 전기장을 충분히 높여 번개를 만들 수 있는가? 그의 동료들 사이에서는 의견이 갈렸다.  번개를 유발하기 위해 연구자들은 가늘고 접지된 금속선을 단 작은 로켓을 하전된 뇌운 속으로 발사한다. 이 전선이 계획된 번개를 시작시킨다. UF/FIT ICLRT 연구자들은 현상에 더 가까이 다가가야 했다. 2023년 7월, 대담한 물리학자들은 감마선 검출기를 장착한 NASA의 고고도 항공기를 몰고 지구상에서 가장 사나운 폭풍의 중심부 바로 위를 날았다. 멕시코만, 카리브해, 중앙아메리카의 열대 폭풍이 대상이었다. 그 항공기는 “대부분의 사람이 어떤 대가를 치르더라도 피하고 싶어 할” 성층권 고도까지 올라갔다고 다 실바는 말했다. 이 관측 캠페인의 이름은 [ALOFT](https://www.earthdata.nasa.gov/data/projects/aloft)였는데, 다른 약어들에서 일부를 따와 만든 약어다. 여기서 얻은 관측은 한 세대 만에 가장 큰 규모의 새 데이터를 안겨줬다. [ALOFT가 보여준 바에 따르면](https://www.nature.com/articles/s41586-024-07936-6), 폭풍 구름은 우주에서는 보이지 않을 만큼 희미한 감마선을 온갖 형태로 내뿜는 들끓는 가마솥이다. 이 프로젝트는 우주 기반 장비들도 감지했던, 번개 주변의 부드러운 빛과 갑작스러운 섬광을 확인했다. 하지만 ALOFT는 눈에 보이는 번개가 없을 때에도 구름이 번쩍인다는 사실을 포착했다. 더욱 이상하게도, 구름은 깜박이기까지 했다. “그들은 그 밖의 현상들이 완전히 하나의 동물원처럼 다양하다는 걸 발견했습니다.” 네덜란드 에인트호번 공과대학의 번개 물리학자 [우테 에버트(Ute Ebert)](https://www.tue.nl/en/research/researchers/ute-ebert)는 말했다. ALOFT의 관측 결과에 완전히 놀라지 않은 사람 중 하나가 드와이어였다. 그는 ALOFT 연구진의 발표에 앞서, 항공기가 폭풍 위를 날 때 감마선 검출기에 무엇이 보일지 예측하려고 자신의 시뮬레이션을 다시 돌렸다. 그는 오래전부터 상대론적 눈사태가 필연적으로 깜박이는 패턴으로 쌓인다는 사실을 알고 있었기에, 입자 충돌이 정확히 어떤 종류의 깜박임을 만들어낼지 계산했다. 두 연구팀은 2023년 12월 샌프란시스코에서 열린 미국지구물리학회 연례 회의에서 각각 결과를 발표했다. 그리고 양쪽 결과는 정확히 들어맞았다. 이는 드와이어가 말한 아원자 충돌이 실제 뇌우 내부에서 벌어지고 있다는, 지금까지 가장 강력한 증거였다.  NASA의 ALOFT 임무는 고고도 ER-2 항공기(왼쪽)를 이용해 조종사들(오른쪽)이 열대 뇌우 바로 위를 비행하면서, 번개와 관련된 고에너지 입자와 복사를 탐지했다. 이제 다른 이론가들도 이 이론을 바탕으로 연구를 확장하고 있다. 지난여름 펜실베이니아주립대의 전기공학자 [빅터 파스코(Victor Pasko)](https://www.eecs.psu.edu/departments/directory-detail-g.aspx?q=VPP1)는 더 강한 전기장 같은 다른 조건에서 시작되는 연쇄 사건을 연구했고, 그런 경우에도 [눈사태](https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025JD043897)가 쌓여 번개를 시작시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 이는 전체 틀에 추가적인 지지를 보탠다. “에너지 높은 전자들이 여기서 어떤 역할을 하고 있다는 생각이 점점 굳어지고 있습니다.” 다 실바는 말했다. “아주 최근까지만 해도 사실상 이 이야기를 하는 사람은 드와이어뿐이었습니다.” ## At Odds With The Field 고에너지 전자 눈사태의 연쇄는 구름을 감마선으로 빛나게 하고, 깜박이게 하고, 번쩍이게 만들 가능성이 매우 크다. 하지만 그것이 실제로 번개를 점화하는지에 대해서는 연구자들이 확실히 말하지 못한다. 한 가지 수수께끼는 번개가 구름 속 한 지점에서 시작되는 것처럼 보이는 반면, 눈사태는 훨씬 더 넓은 영역에서 일어난다는 점이다. 눈사태는 구름을 번개가 일어나기 직전 상태까지 몰아가지만, 그 둘을 번개 한 줄기의 발화와 완전히 연결한 사람은 아직 없다. 드와이어의 이론이 지지를 얻는 와중에도, 2025년 초의 관측은 또 다른 번개 생성 이론을 다시 끌어올렸다. 뉴멕시코 사막에서 안테나가 빽빽이 설치된 두 관측소는 서로 다른 12번의 번개에서 나온 전파(radio waves)를 포착했다. 로스앨러모스 국립연구소의 연구자 쉬안민 샤오(Xuan-Min Shao)는 이 데이터를 이용해 이 번개들이 시작될 때 전체 전류가 어떻게 움직였는지를 재구성할 수 있었다. 그리고 뭔가 이상하다는 사실을 알아냈다. 드와이어의 연쇄이든, 순전히 전기장에 의해 구동되는 다른 어떤 과정이든, 그것이 번개 줄기의 씨앗이 됐다면 원형 번개(proto-bolt)는 과정의 맨 처음부터 전기장 방향과 완벽하게 일치해 움직여야 한다. 그런데 샤오는 이 사례들에서 두 방향이 약간 어긋나 있다는 [결과](https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JD042549)를 얻었다. 그 기울어짐 속에서 샤오는 번개의 기원이 지구 바깥, 더 나아가 은하 바깥에 있을지도 모른다는 증거를 본다. 바로 우주선 소나기(cosmic-ray shower)다. 우주선 소나기는 심우주의 격렬한 사건이 낳는 최종 결과다. 예를 들어 물질을 집어삼키는 블랙홀이 입자를 방출하거나, 별의 폭발이 원자 조각 하나를 튕겨낼 수 있다. 폭발하는 별에서 나온 양성자일 수도 있고, 초대질량 블랙홀에서 쫓겨난 껍질 벗겨진 철 원자일 수도 있다. 이런 파편은 우주를 수십억 광년 가로질러 지구 대기와 충돌한다. 이 격렬한 충돌은 전자, 양전자, 그 밖의 입자로 이루어진 분출을 무작위 각도로 구름 속으로 뿌린다. 이 전자와 양전자는 전기장이 임계값보다 훨씬 낮더라도 분자에서 전자를 떼어내고 눈사태를 시작할 만큼 충분한 에너지를 가질 수 있다. 일부 물리학자들에게 샤오의 주장은 매우 설득력 있다. “그것은 다른 어떤 것의 방향을 추적하고 있음이 틀림없고, 가장 가능성이 큰 것은 우주선 이온화(cosmic-ray ionization)입니다.” 캘리포니아대 샌타크루즈의 물리학자 [데이비드 스미스(David Smith)](https://campusdirectory.ucsc.edu/cd_detail?uid=dsmith8)는 말했다. “저는 이 데이터를 대단히 설득력 있다고 봅니다.” 반면 다른 이들은 아직 이 결과를 어떻게 해석해야 할지 이르다고 말한다. 샤오의 재구성 기법은 아직 완전히 확립되지 않았고, 우주선 소나기에는 충분히 이해되지 않은 입자물리학이 가득하다. 그래서 네덜란드 전파천문학연구소의 물리학자 [브라이언 헤어(Brian Hare)](https://science.astron.nl/people/dr-b-brian-hare/)의 말처럼, 설명하기 어려운 수수께끼 같은 과정의 공백을 메우는 “마법 지팡이(magic wand)”처럼 그것을 끌어다 쓰고 싶어지기 쉽다. 하지만 샤오와 다른 연구자들이 비스듬히 날아가는 번개 사례를 더 많이 보기 시작한다면, 이론가들은 그 세부를 본격적으로 따져 보게 될지도 모른다.  쉬안민 샤오는 12개의 개별 번개 방전에서 나온 전파를 포착함으로써, 우주선 소나기가 번개를 촉발할 수 있다는 증거를 찾아냈다. 로스앨러모스 국립연구소 “정말 멋진 아이디어고, 실제로 그런 일이 벌어질지도 모른다는 힌트도 있습니다.” 드와이어는 말했다. “만약 이 메커니즘이 맞다면, 우리가 번개를 한 번 볼 때마다 은하 어딘가에서 죽어가는 별과 물리적 연결이 있다는 뜻입니다.” 지난 수십 년간의 번개 연구는, 약한 전기장을 가진 구름에서 자연이 어떻게 번개를 끌어내는지에 대해 몇 가지 아이디어를 내놓았다. 과학 논문 속에서는 이 이론들이 서로 경쟁하지만, 실제 자연에서는 서로 협력할 가능성이 크다. 어떤 구름에서는 긴 얼음 바늘이 번개를 시작시킬 수 있고, 다른 구름에서는 감마선을 만들어내는 전자들의 홍수가 그 역할을 할 수 있다. 또 여러 메커니즘이 함께 작동해 전기장을 돌이킬 수 없는 지점 너머로 밀어붙일 수도 있다. 연구자들이 가장 흔한 메커니즘, 혹은 메커니즘의 조합이 무엇인지 알아내려면, 번개와 함께 나타나는 감마선과 전파를 더 정밀하게 측정해야 한다. 하지만 물리학자들이 번개를 시작시키는 비밀에 가까워질수록, 기존 어느 이론에도 잘 들어맞지 않는 뜻밖의 현상도 다시 포착되고 있다. 예를 들어 ALOFT가 본 감마선에는 미묘한 패턴이 있다. 또 지난 몇 년 동안 [네덜란드의 전파망원경 배열](https://www.quantamagazine.org/radio-telescope-reveals-how-lightning-begins-20211220/)은 번개가 시작점에서 갈라져 나가기 시작하는 모습을 지금까지 가장 선명하게 보여주는 이미지 일부를 제공해 왔다. 그 영상에서는 어떤 부분은 빠르게 뻗어 나가고, 어떤 부분은 상대적으로 느리게 움직이며, 또 어떤 부분은 이동하면서 바늘 같은 가지를 돋운다. 이런 특징은 설명이 점점 더 포괄적으로 변해도, 번개가 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 문제는 계속 다시 열릴 것임을 시사한다. “들여다볼수록 점점 더 기묘해집니다.” 드와이어는 말했다. “우리가 갖고 있는 아주 단순한 그림은 분명히 정말 불완전합니다.”