스프라이트(Sprite), 베일에 가려진 구름 위의 번개

여러분들은 혹시 스프라이트(sprite)라고 들어보셨는지요? 사이다나 요정을 이야기하는 것이 아닙니다. 스프라이트는 폭풍우 번개의 위에서 일어나는 TLE(Transient Luminous Event; 고층대기 극한방전현상) 중에서 가장 대표적인 현상으로, 쉽게 말하면 매우 짧은 시간 안에 구름 위에서 일어나는 번개입니다.

사실 우리는 번개가 구름에서 땅으로 내려온다고 알고 있습니다. 좀 더 자세히 아는 사람들은, 번개가 평균 0.5초 정도 지속되며, 음전하를 띠고, 평균 3만 암페어의 전류를 띤다는 것을 알고 있을 겁니다. 하지만 땅과 구름 사이에서 일어나는 번개만 해도 여러 종류가 있습니다. 땅에서 구름으로 치는 번개도 있으며, 이 번개는 후에 다른 번개들을 유도하기 때문에 상당히 위험합니다. 또한 전체 번개의 약 5% 정도는 음전하가 아닌 양전하를 띠는데, 이 번개들은 평균 30만 암페어의 전류를 띠기 때문에 일반 번개보다 훨씬 더 위험합니다. 그 외에도 구름 사이를 누비는 번개를 포함하여 많은 종류의 번개들이 있습니다.

그러나 이런 번개들의 공통점은, 우리가 이미 머릿속에 그 확고한 이미지를 갖고 있듯이, 직선으로 내리꽂거나 가지처럼 갈라져나가는 형태를 띤다는 것이지요. 즉, 세부적인 특징이 어떻든간에 이 번개들은 비슷한 물리적 원인에 의해 그 형태가 결정된다는 것을 의미합니다. 그러나 앞서 설명했던 TLE는 이러한 우리의 상식을 철저하게 박살내지요. 과거에는 초대형 번개, 메가번개 정도로 불렀지만, 지금은 그 특성이 일반적인 번개와는 확연히 다르며, 특히 지속시간이 매우 짧다는 점에서, 이들을 번개와는 또 다른 방전현상으로 구분짓는 추세입니다.

아래는 번개와 대표적인 TLE 현상들을 나타낸 그림입니다.

위 그림에서 우측 상단에 보이는 것이 바로 스프라이트입니다. 스프라이트는, 대체로 소나기구름(적란운)에서 양전하를 띤 번개가 내리치는 현상을 방아쇠로 하여 발생되는, 거대한 규모의 방전현상입니다. 그림에서 보이다시피 스프라이트는 주홍빛을 띤 붉은색에 푸른 꼬리를 지니며, 다양한 형태와 규모를 가집니다.

최초로 컬러로 촬영된 스프라이트의 사진

보통 상공 50km에서 시작하여 90km까지 이르기 때문에 규모가 매우 큽니다. 하지만 규모에 비해 지속시간이 매우 짧아, 보통 수 밀리초간 지속되며, 이는 스프라이트를 육안으로 보는 것을 방해합니다. 그렇기에 1886년부터 스프라이트를 포함한 TLE 현상에 대한 목격담이 꾸준히 있었음에도 불구하고, 실제로 1989년에 미네소타 대학의 과학자들에 의해 우연히 촬영되기 전까지는 그 실체를 인정받지 못했습니다. 때문에 스프라이트에 대한 연구는 아직 미미한 단계이며, 매커니즘을 포함한 많은 성질들이 베일에 가려져 있습니다. 하지만 현재까지 알려진 바로는, 대류권에서 발생하는 보통의 번개가 고온의 열을 동반하는 반면 스프라이트는 차가운 플라즈마 현상에 가깝습니다. 즉, 형광등이나 형광 램프가 빛을 발하는 원리와 비슷한 원리로 발광 현상이 일어난다는 것입니다.

최근에 초당 1만 프레임을 찍을 수 있는 초고속 카메라를 활용한 연구를 통해, 스프라이트가 10~100m 크기의 이온들로 이루어진 공들이 모여 이루어져 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이 공들은 고도 80km에서 생성되어 아래 방향으로 광속의 10%에 달하는 속도로 이동하는데, 이런 매커니즘에 의해서 생성되는 스프라이트를 원주형 스프라이트(columniform sprite), 줄여서 C 스프라이트라고 합니다. 그리고 C 스프라이트는 높은 고도에서의 확산 효과와 낮은 고도에서의 가지치기로 인해 좀 더 복잡한 형태로 발전하기도 하는데, 이를 천사 스프라이트(angel sprite)라고 합니다. 한편 이러한 이동이 이루어진 직후, 기존의 C 스프라이트가 존재했던 영역에서 다시 위로 상승하는 이온 공들이 관측되기도 합니다. 이러한 매커니즘으로 생성되는 스프라이트는 Y자 모양을 닮은 형태로 나타나는 경우가 많아, 그 모양을 본따 위시본 스프라이트(wishbone sprite)라고 부릅니다. 이 위시본 스프라이트는 시간이 흐름에 따라 가지치기를 하면서 당근 스프라이트(carrot-sprite)로 발전하게 됩니다.

천사 스프라이트(왼쪽)와 당근 스프라이트(오른쪽)

영어를 어느 정도 청취할 수 있다면, 아래의 BBC에서 제작한 10분 남짓한 동영상 「Lightning Sprite」를 참고하시는 것도 좋습니다.

자료 및 사진 출처

1. Lightning - Wikipedia
2. Sprite (lightning) - Wikipedia
3. Upper-atmospheric lightning - Wikipedia
4. A 'Carrot Sprite' - On White Crow
5. Observations of streamer formation in sprites [pdf]
6. Literature review of the current status in the sprite observations [pdf]