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편집  2019.10.19 [11:00]
<사이언스> 자연과 식물에 풍요로운 ‘번개’의 신비(上篇)
 
소정현기자
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번개와 천둥 동시적이나 소리의 차이로 거리감

벼락은 빛 속도 10분의 1, 주변 온도 27천도

 

질소고정법 인공비료 대량생산의 길 농업혁명

질소는 인간생존의 핵심인 단백질 생성의 원천

 

 

▲  번개는 구름과 구름, 구름과 지표면 사이에서 공중 전기의 방전이 일어나 만들어진 섬광을 말한다.

 

 

사랑으로 이겨낸 번개의 마력

 

20078월 러시아 일간지 프라우다는 벼락을 사랑으로 이겨낸 한 부부의 이야기를 소개하고 있다. 시베리아 남서부 쿠즈바스의 벨로보 마을에 사는 사포발로프스 씨 부부는 어린이 캠프에 참가 중인 딸을 만나러 갔다가 마을 외곽에 있는 강가 풀밭에 앉아 쉬고 있었다.

 

이때 하늘이 시커멓게 변하더니 갑자기 천둥이 쳤다. 겁에 질린 아내는 남편에게 바짝 몸을 기댔다. 아내를 안심시키려던 남편은 아내의 입술에 입을 맞췄다. 그런데 입술이 맞닿는 순간 벼락이 두 사람을 덮친 것이다.

 

보통의 경우라면 이들은 즉사했을 것이다. 그러나 부부는 기적적으로 목숨을 건졌다. 남편의 몸에 들이친 번개가 아내의 몸을 지나 땅으로 스며들었기 때문이다. 두 사람이 키스한 순간 서로 달라붙은 몸이 도체처럼 작용, 충격이 반감됐다는 얘기다. ‘사랑의 힘이 번개를 이긴 셈이다.

 

야외에서 벼락이 칠 때 가장 안전한 곳은 어디일까. 놀랍게도 금속으로 온통 뒤덮여 있는 자동차 안이다. 벼락이 자동차에 내리치면 전류가 차 표면을 따라 땅으로 흘러내리기 때문에 탑승자는 보호받는다. 러시아 부부의 사랑을 제대로 확인시켜 준 번개, 그것의 신비의 대해 알아본다.

 

▲ 번개가 동반하는 소리를 천둥이라 하고, 낙뢰(落雷)라고 하는 벼락은 번개가 지면까지 떨어져 어떤 물체에 맞는 현상을 일컫는다. pixbay.com        

 

 

번개와 천둥의 역학 원리들

 

번개는 구름과 구름, 구름과 지표면 사이에서 공중 전기의 방전이 일어나 만들어진 섬광을 말한다. 그리고 번개가 동반하는 소리를 천둥이라 하고, 낙뢰(落雷)라고 하는 벼락은 번개가 지면까지 떨어져 어떤 물체에 맞는 현상을 일컫는다.

 

, 구름과 구름 속에서 발생하는 불꽃 현상은 번개라 하고, 구름과 땅 사이에 발생하는 불꽃 현상은 벼락이라 불린다.

 

비를 내리게 하는데 가장 중요한 역할을 하는 것은 먼지와 번개이다. 공기 중에는 100분의 1밀리미터(mm)정도의 아주 작은 먼지들이 그 종류에 따라 때로는 플러스() 전기 또는 마이너스(-)의 전기를 띠고 크게 무리를 지으면서 대기(수증기나 구름을 포함한 것)와 함께 움직인다. 바로 이 먼지들의 구름이 물방울을 형성하는 핵의 역할을 하게 된다.

 

하늘에 가득찬 양전하와 음전하는 대량의 전기를 만들고, 대량의 전기는 당연히 전자기파, 즉 가시광선을 순간적으로 방출한다. 이것이 우리가 눈으로 보게 되는 번개다. 그리고 주변 공기를 뜨겁게 달구면서 순식간에 공기가 팽창하고, 이 공기의 진동이 천둥으로 들리게 되는 것이다.

 

번개가 내리치는 속도를 뇌속(雷速)이라 부르며 일반적으로 시간당 224,000마일, 시속 약 360,000km이다. 초속은 100km/s으로 표기한다.

 

벼락이 공급하는 온도는 어느 정도일까? 벼락은 빛 속도의 10분의 1 정도로 빠르며, 벼락이 지나간 주변 온도는 27,000도로 태양표면 온도(6,000)4배나 된다. 흥미로운 점은 벼락이 어떻게 절연체인 공기를 뚫고 지상을 엄습하는가이다.

 

열쇠는 번개의 엄청난 힘에 있다. 번개가 한 번 칠 때 전압은 보통 10억 볼트(V)에 이른다. 가정의 전압이 220V이고 초고압선도 수십만 볼트를 넘지 않는다는 점을 볼 때 번개의 전압이 얼마나 높은지 가히 짐작할 수 있다.

 

번개와 천둥은 같은 곳에서 같은 시점에 발생한다. 초고온으로 가열된 공기는 초음속으로 팽창하여 천둥소리를 낸다. 일반적으로 번개()가 먼저 나타나고 뒤이어 천둥이 친다. 소리와 빛이 공기 중에서 통과하는 시간이 다르기 때문이다. 공기 중에서 빛은 소리보다 더 빠르게 움직인다.

 

번개가 치고 천둥이 나타나는 그 시간은 경우마다 다르다. 그 시간을 재면 현재 위치에서 번개가 친 곳까지의 거리를 알 수 있다. 번개가 나타난 때부터 천둥소리가 들리기까지 걸린 시간에 340m를 곱하면 된다. 소리가 공기 중에서 이동하는 거리가 초당 약 340m이기 때문이다.

 

굳이 계산하지 않더라도 번개와 천둥 사이의 시간 차이가 짧으면 짧을수록 나와 번개가 가까이 있다는 말이니 조심해야 한다. 만약 외출해 있는데 번개가 친다면 나무 밑은 피하는 게 좋다. 나무가 번개를 모으는 역할을 하기 때문이다.

 

번개는 매우 짧은 시간 내에 일어나는 높은 전기적 방출이다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯 번개도 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 이 때문에 전압이 높은 구름 사이에서 발생한 번개가 전압이 거의 없는 땅으로 떨어지는 것을 벼락이 쳤다고 한다.

 

음전하를 띠는 큰 얼음 알갱이들이 구름 아래쪽으로 이동해 지표면에 양전하가 집중되는 지역(땅에서 솟아오른 고층 건물이나 나무)에 내리치면서 강한 전류를 흘려보낸다. 그래서 건물 옥상 높이 피뢰침을 세우고 벼락을 그곳으로 유도해 인명 피해를 막는다.

 

▲ 음전하를 띠는 큰 얼음 알갱이들이 구름 아래쪽으로 이동해 지표면에 양전하가 집중되는 지역(땅에서 솟아오른 고층 건물이나 나무)에 내리치면서 강한 전류를 흘려보낸다. 그래서 건물 옥상 높이 피뢰침을 세우고 벼락을 그곳으로 유도해 인명 피해를 막는다.pixbay.com    

 

이처럼 천둥과 번개를 동반한 비를 뇌우(雷雨, Thunderstorm)라고 한다. 뇌우는 일명 소나기구름인 적란운 또는 거대한 적운에서 잘 발생한다. 뇌우는 일반적으로 온난하고 습한 공기와 불안정한 대기 상태일 때 발생할 가능성이 크다. 우리나라는 벼락의 약 90%가 여름철에 발생한다.

 

높이 떠있는 구름은 일반적으로 그곳에 먼지가 없기 때문에 비구름이 되지 않으며, 낮게 떠다니는 구름은 그곳에 먼지가 많기 때문에 그 먼지에 의해서 물방울이 형성되며, 비를 내리게 하며, 동시에 천둥번개가 크면 클수록 큰 폭우가 내리게 된다.

 

특히 뜨거운 태양열 때문에 구름이 많이 형성되는 더운 지방(필리핀 등의 열대지방)에서 화산 폭발로 방출된 엄청나게 많은 먼지와, 공업화에 따른 공장이나 자동차 매연으로부터의 먼지 때문에 앞으로 전 세계에는 집중 호우와 막대한 홍수 피해가 예상된다.

 

▲ 1906, 드디어 독일의 화학자 프리츠 하버가 대기 중 질소에서 암모니아를 합성하는 방법을 개발한다    

 

번개는 고정화된 질소의 공급원이다.

 

오랫동안 농업에 식량공급을 의존하여 살면서 농경 사회인들은 거름의 필요성을 배우게 되었으며, 인간 분뇨를 포함한 동물의 분뇨, 식물성 퇴비, 부패시킨 해물들이 고정화된 질소의 공급원으로 그 가치를 인정받게 되었다.

 

질소 비료를 생성하기 위해서 연구자들이 최초로 눈을 돌린 것은 천둥과번개였다. 천둥과번개는 대기 중 질소를 산화시켜 질산으로 만든다. 하지만 천둥과 번개로는 저렴한 비료를 대량생산할 수 없었다.

 

그런데 20세기 초에 인류 역사에 엄청난 화학기술의 발전이 독일의 프리츠 하버와 카를 보슈에 의해 이루어졌다. 이들은 고압 고온에서 촉매 존재 하에 질소기체와 수소기체를 반응시켜 암모니아를 제조할 수 있었다.

 

▲ 카를 보슈(Carl Bosch)암모니아  합성 실험을 화학적 고압방법을 통해 산업화하는 데 성공하여 더 낮은 가격으로 질소비료를 공급하는 일을 가능케 했다.    

1906, 드디어 독일의 화학자 프리츠 하버가 대기 중 질소에서 암모니아를 합성하는 방법을 개발한다. 그리고 수소와 질소로 암모니아를 만들어낼 수 있게 된 것이다. 이제 질소 비료를 대량 생산할 수 있게 되었으니, 이 질소 비료를 농지에 이용하여 식량을 생산해 인구 증가를 지탱할 수 있게 된 것이다.

 

그 정점에 있는 것이 하버-보슈 공정으로 불리우고 있는데, 공기 중에 흔한(78%) 질소를 고온·고압 환경 속에서 촉매를 사용해 수소와 반응시켜 암모니아를 인공적으로 대량 생산하는 혁신 기술인 질소고정법이다.

 

암모니아로 합성비료를 대량 생산하면서 지구촌 농업은 식량 생산을 비약적으로 늘릴 수 있게 됐다. 공기를 비료로, 합성 암모니아법을 개발한 공로로 프리츠 하버(Fritz Haber, 1868~1934)1918년 노벨화학상을 수상했다.

 

한편, 카를 보슈(Carl Bosch, 1874~1940)는 프리츠 하버의 암모니아 합성 실험을 화학적 고압방법을 통해 산업화하는 데 성공하여 더 낮은 가격으로 질소비료를 공급하는 일을 가능케 했다. 인공적인 질소의 고정은 곧바로 농업혁명으로 이어져 작물재배에 필요한 질소화합물이 대량으로 공급되었다. 이런 공로로 카를 보슈는 1931년 합성석유를 개발한 프리드리히 베르기우스와 함께 노벨 화학상을 받았다.

 

현재 질소화합물이 골칫거리이자 두통거리인 것은 질소화합물의 부영양화이다. 우리가 현재 논밭에 사용하고 있는 비료의 1/2 정도가 작물들이 흡수되지 않고, 빗물에 씻겨 개천, 강을 거쳐 바다, 혹은 호수로 들어가는데, 수중에 고정화된 질소의 농도가 높아지면, 다른 비료 등으로부터 오는 인과 칼륨 등과 어울려, 수중의 영양분을 증가시키는 부영양화 현상이 일어난다.

 

 

   

 

 

 

▲ 20세기 초에 인류 역사에 엄청난 화학기술의 발전이 독일의 프리츠 하버와 카를 보슈에 의해 이루어졌다. 이들은 고압 고온에서 촉매 존재 하에 질소기체와 수소기체를 반응시켜 암모니아를 제조할 수 있었다.   

 

질소는 인간 생존의 핵심 원소이다.

 

평소에 우리의 세포들은 질소를 그냥 떠돌이 나그네 취급한다. 물론 몸을 만들고 유지하기 위해서는 질소 원자가 필요하지만, 산소와 달리 우리는 질소를 호흡으로 충당할 수 없기에 섭취해야 한다. 그러기 위해서는 질소를 먹을 수 있게끔 만들어주는 다른 생물들의 도움을 받아야 한다.

 

식물은 필요한 질소를 대부분 질소고정박테리아의 도움을 통해 공기 중의 질소로부터 얻는다. 그러면 인간과 동물은 어떠할까? 인간과 동물들은 먹이로부터 질소원을 얻는다. 초식동물은 식물성 먹이로부터, 육식 동물은 동물성 먹이로부터 필요한 질소를 공급받는다. 물론 인간은 편리하게 동ㆍ식물성 먹이 양쪽으로부터 공급받는다.

 

▲ 벼락이 공급하는 온도는 어느 정도일까? 벼락은 빛 속도의 10분의 1 정도로 빠르며, 벼락이 지나간 주변 온도는 27,000도로 태양표면 온도(6,000)4배나 된다.pixbay.com       

 

 

 

 

번개는 매우 짧은 시간 내에 일어나는 높은 전기적 방출이다전압이 높은 구름 사이에서 발생한 번개가 전압이 거의 없는 땅으로 떨어지는 것을 벼락이 쳤다고 한다 pixbay.com    

 

인간의 전체 체질량에서 질소 원자가 차지하는 비율은 불과 3퍼센트 정도지만, 질소 원자는 우리가 존재하고 행동할 수 있도록 만들어주는 분자를 구성하는 핵심 성분이다. 우리 몸의 탄수화물과 지질은 이산화탄소와 물을 구성하는 원소들로 이루어져 있지만, 여기에 질소를 첨가하지 않는다면 우리를 생존하게 하는 수천 종의 단백질을 만들 수 없다.

 

생명체를 지지하는 근육, 세포, 지지골격 등의 단백질이 모두 질소 없인 만들어질 수 없는 것이다. 질소 원자는 혈액의 헤모글로빈 속에서는 질소 원자 4개가 힘을 합쳐 녹빛의 철 원자 하나를 살며시 붙들고 있다. 뉴런의 이온 펌프들이나 콧속의 연골은 물론이고 모든 효소와 항체와 유전자들 속에도 질소 원자가 있다. 음식을 통해 질소를 섭취하지 않는다면, 탄소, 산소, 수소만으로 구축한 우리 몸은 체지방과 체액만 남을 것이다.

 

 


원본 기사 보기:모닝선데이

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기사입력: 2019/09/20 [00:23]  최종편집: ⓒ womansense.org
 
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