세인트 엘모의 불

1. 개요

세인트 엘모의 불은 플라스마의 한 형태로, 물체 주변의 전기장이 공기 분자를 이온화시켜 빛을 내는 현상이다. 뇌우 시 전기장 변화로 뾰족한 물체 끝에서 주로 발생하며, 푸른색 또는 보라색 빛을 띤다. 고대부터 선원들의 수호성인인 성 엘모와 연관되어 뱃머리에 나타나는 현상으로 묘사되었으며, 문학 작품과 영화 등 다양한 매체에서 폭풍 전조 또는 흉조로 묘사되기도 한다.

2. 명칭

한국어 번역으로는 「세인트 엘모의 불」, 「마스트 꼭대기의 전기 현상(檣頭電光)」이라고 부르기도 한다. 마스트 꼭대기(檣頭)는 돛대의 끝부분을 가리킨다.

다른 이름으로는 다음과 같은 것들이 있다.

* 세인트 엘모의 빛(St. Elmo's light): 찰스 다윈이 그의 저서에서 언급하였다.
* 카스토르와 폴룩스/헬레나: 플리니우스가 그의 저서 『박물지』에서 고대 그리스 시대의 명칭으로 기록하고 있다.
* 콜포산트(corposant): 영어식 다른 이름. corpo santo^{포르투갈어}를 매개로 corpus sanctum^라틴어를 어원으로 하며, 「성체(聖体)」를 의미한다.

3. 원리 및 특성

세인트 엘모의 불은 플라스마의 한 형태이며, 재현 가능하고 실증 가능하다. 영향을 받는 물체 주변의 전기장이 공기 분자를 이온화시켜 어두운 환경에서 쉽게 볼 수 있는 희미한 빛을 생성한다. 뇌우 발생 시 구름과 지면 사이에 고전압 차이가 존재할 때 세인트 엘모의 불이 생성될 수 있는 조건이 나타난다. 습한 공기에서 방전을 시작하려면 약 100 kV/m의 국부 전기장이 필요하다. 전기장의 크기는 물체의 형태에 따라 크게 달라지는데, 곡률이 높은 뾰족한 물체의 끝에서 방전이 우선적으로 발생하고 더 강해진다.

지구 대기 중의 질소와 산소는 세인트 엘모의 불이 파란색 또는 보라색 빛으로 형광을 내게 한다. 이것은 네온등이 빛나는 원리와 유사하지만, 사용되는 기체가 다르기 때문에 색깔이 다르다.

1750년 벤자민 프랭클린은 뇌우 시에 뾰족한 철제 막대의 끝이 발광하는 현상을 밝혔고, 1751년에는 뾰족한 철제 막대가 뇌우 중에 끝 부분에서 세인트 엘모의 불과 비슷한 모양으로 빛날 것이라고 가정했다.

맑은 날 대기 중의 수직 전위차(전위 기울기)는 5 V/m, 지표면 근처에서는 약 100 V/m 정도이지만, 적란운, 뇌운이 접근하면 전위차가 커진다. 1000 V/cm 정도가 되면 지표면의 뾰족한 물체의 끝과 대기 사이에서 코로나 방전이 발생하기 시작한다. 금속 등의 도체 표면에 수직으로 발생하는 전계 강도는 곡률 반지름으로 나눈 값에 근사한다. 뾰족한 도체는 곡률 반지름이 작기 때문에 전계 강도가 커서 방전이 발생하기 쉽다. 다만, 양도체인 금속이 아니더라도 방전은 발생한다.

세인트 엘모의 불은 배의 돛대 끝뿐만 아니라, 교회의 첨탑, 안테나, 건물의 지붕이나 피뢰침, 송전선, 산정이나 산등성이의 바위 등에도 발생한다. 또한 근처에 있는 사람에게도 미쳐서, 팔을 들었을 때 손가락 끝에 발생하거나, 머리카락이 곤두서서 그 끝에 발생하거나, 등산용 피켈 등 몸에 착용한 물건의 끝에 발생하기도 한다. 흐르는 전류는 매우 작기 때문에 인체에 영향은 없다고 여겨진다.

2020년 8월, MIT 항공우주학과 연구원들은 세인트 엘모의 불이 공중에 떠 있는 물체와 접지된 구조물에서 다르게 행동한다는 것을 보여주었다. 전기적으로 절연된 구조물이 접지된 구조물에서 관찰되는 코로나 방전과는 대조적으로 강풍에서 더 효과적으로 전하를 축적한다는 것을 보여주었다.

럿거스 대학교 연구진은 크세논과 같은 고밀도 기체가 채워진 셀 안에 뾰족한 전도성 바늘을 배치하여 다양한 조명 형태를 이용해 진공 자외선을 생성하는 방법을 고안했다. 세인트 엘모의 불과 유사한 현상으로, 연구진은 더 높은 출력의 전원을 사용하면 조명으로 사용할 수 있으며 효율을 50% 이상 높일 수 있다고 믿고 있다.

뇌운이 접근하여 낙뢰의 위험이 높아지고 있을때, 세인트 엘모의 불은 일종의 경고가 된다.

3.1. 항공기에서의 발생

상공을 비행하는 항공기에서도 세인트 엘모의 불이 발생한다. 항공기는 비행 중 먼지나 구름 속의 빙정에 의한 마찰 대전이 일어나기 쉽다. 현대 항공기는 대전을 방출하는 방전색 외에도 대전을 줄이는 여러 가지 대책을 실시하고 있다. 그러나 뇌운에 접근하면 날개, 프로펠러, 풍방, 안테나 끝 등 기체의 여러 부위에서 방전이 발생하는 경우가 있다. 기온 0°C에서 -2°C일 때 가장 자주 관측된다. 비행선에서도 발생할 수 있다.

방전의 색은 푸른빛 외에 청자색, 자주색이나 녹색, 흰색이 강한 경우도 있다. 네온의 빛과도 비슷하다. 밤에도 빛나서 보이며, 불빛이나 불꽃이 붙은 것처럼 보이기도 한다. 끝이 음극인 경우와 양극인 경우에 따라 모양이 다르다.

뇌운이 접근하여 방전이 강해졌을 때 "쉬익"하는 소리를 동반하는 경우가 있다. 항공기 무선 통신에서는 발생 시 음높이를 상하로 하면서 쉬익하는 소리나 볶음 요리를 할 때와 같은 소리가 들리는 경우가 있다고 한다.

항공기의 경우, 화산 폭발에 의한 분연에 돌입했을 때에도 기체와 화산재의 마찰로 세인트 엘모의 불이 발생한다. 브리티시 에어웨이즈 9편 엔진 고장 사고(1982년)에서는 날개와 엔진에 발생한 세인트 엘모의 불이 목격되었다.

4. 역사 및 문화

세인트 엘모의 불이라는 이름은 선원들의 수호성인인 성 엘모(에라스무스)에서 유래한다. 성 엘모는 이탈리아로 향하던 배가 폭풍우를 만나 전복될 위기에 처했을 때, 신에게 열심히 기도하여 폭풍을 잠잠하게 하고 돛대 끝에 푸른 불꽃이 춤추듯 나타나게 했다고 전해진다. 이탈리아 가에타의 성 에라스모 대성당에서 자주 목격되었기에 이 이름이 붙었다는 것은 속설이다.

한국어로는 "세인트 엘모의 불", "마스트 꼭대기의 전기 현상(檣頭電光)"이라고 부르며, 마스트 꼭대기(檣頭)는 돛대 끝부분을 가리킨다.

다른 이름으로는 찰스 다윈이 언급한 '세인트 엘모의 빛(St. Elmo's light)', 플리니우스가 『박물지』에 기록한 고대 그리스 시대 명칭인 '카스토르와 폴룩스/헬레나', 영어식 이름인 '콜포산트(corposant)' 등이 있다.

세인트 엘모의 불은 폭풍이나 파랑이 지나가기 전 나타나는 경우가 많아 길조로 여겨지기도 했지만, 조난이나 죽음을 경고하는 흉조로 여겨지기도 했다.

4.1. 고대 및 중세

고대 그리스에서는 세인트 엘모의 불이 나타나는 것을 Helene^{고대 그리스어}라고 불렀는데, 이는 문자 그대로 "횃불"을 의미한다. 두 개가 나타나는 경우에는 헬레네의 신화 속 쌍둥이 형제인 카스토르와 폴룩스의 이름을 따서 불렀다. 알카이오스 단편 34편과 플리니우스의 저서 (자연사, 제2권, 101항)에서 언급되었으며, 그보다 앞서 크세노파네스가 이 현상을 암시한 바 있다.

중세 이후 세인트 엘모의 불은 때때로 그리스 원소인 불과 연관되어, 파라켈수스의 원소 중 하나, 특히 도롱뇽이나, 액트니치(acthnici)라고 불리는 유사한 생물과 연관 지어지기도 했다. 웨일스 선원들은 세인트 엘모의 불을 canwyll yr ysbryd^웨일스어 또는 canwyll yr ysbryd glân^웨일스어("성령의 촛불" 또는 "세인트 데이비드의 촛불")이라고 불렀다. 러시아 선원들 역시 역사적으로 세인트 엘모의 불을 기록해왔는데, "성 니콜라스" 또는 "성 베드로의 불"이라고 불렀다. 때로는 성 헬레네의 불이나 성 헤르메스의 불이라고도 불렀다.

4.2. 주요 관측 사례

* 고대 그리스에서는 세인트 엘모의 불이 나타나는 것을 Helene^{고대 그리스어}라고 불렀는데, 이는 문자 그대로 "횃불"을 의미한다. 두 개가 나타나는 경우에는 헬레네의 신화 속 쌍둥이 형제인 카스토르와 폴룩스의 이름을 따서 불렀다.
* 중세 이후 세인트 엘모의 불은 때때로 그리스 원소인 불과 연관되어, 파라켈수스의 원소 중 하나인 도롱뇽이나 액트니치(acthnici)라고 불리는 유사한 생물과 연관 지어지기도 했다.
* 웨일스 선원들은 세인트 엘모의 불을 canwyll yr ysbryd^웨일스어 또는 canwyll yr ysbryd glân^웨일스어 ("성령의 촛불" 또는 "세인트 데이비드의 촛불")이라고 불렀다.
* 러시아 선원들은 "성 니콜라스" 또는 "성 베드로의 불"이라고 불렀다. 때로는 성 헬레네의 불이나 성 헤르메스의 불이라고도 불렀다.
* 1453년 오스만 제국에 의한 콘스탄티노플 공방전 당시 히포드롬 꼭대기에서 세인트 엘모의 불이 나오는 것이 목격되었다고 한다. 비잔티움인들은 이를 그리스도교 신이 곧 와서 정복하는 무슬림 군대를 멸망시킬 징조라고 해석했다.
* 마젤란의 세계 일주 항해 기록에는 남아메리카 해안에서 여러 차례 함대의 배 주변에서 세인트 엘모의 불(성 안셀름의 몸이라고 불림)이 목격되었다는 내용이 있다. 선원들은 이를 좋은 징조로 여겼다.
* 1945년 8월 9일 나가사키에 팻 맨 원자 폭탄을 투하하기 위해 이동하던 B-29 복스카는 회전하는 프로펠러 주변에 기묘한 푸른 빛 플라즈마가 형성되는 것을 경험했다.
* 세인트 엘모의 불은 1955년 캔자스와 오클라호마에서 발생한 1955년 대평원 토네이도 발생 중에 목격되었다.
* 1982년 6월 24일 발생한 영국항공 9편 사건에서 항공기 앞쪽 가장자리, 날개와 조종석 앞 유리창을 따라 빛나는 섬광이 있었는데, 승객과 승무원 모두 이를 목격했다. 빛나는 섬광은 세인트 엘모의 불과 유사한 점이 있었다.
* 1995년 아마존 상공에서 스프라이트 연구를 위해 알래스카 대학교 연구 비행 중에 세인트 엘모의 불이 관찰되었고, 그 광학 스펙트럼이 기록되었다.
* 2009년 리우데자네이루 갈레앙 국제공항에서 파리 샤를 드골 공항으로 향하던 에어프랑스 447편은 대서양에 추락하기 23분 전에 세인트 엘모의 불을 경험한 것으로 알려져 있지만, 이 현상은 참사의 원인이 아니었다.
* 필리핀 민속에서 Apoy ni San Elmo(일반적으로 santelmo)는 불길한 징조나 날아다니는 영혼이지만, santelmo에 대한 설명은 세인트 엘모의 불보다는 구슬형 번개와 더 유사하다.
* 세인트 엘모의 불은 율리우스 카이사르의 저서 (아프리카 전쟁기, 47)와 플리니우스의 저서 (자연사, 제2권, 101항) 그리고 알카이오스 단편 34편에서 언급되었다.

4.3. 문학과 예술 속 세인트 엘모의 불

고대 그리스에서는 세인트 엘모의 불이 하나 나타나는 것을 Ἑλένη^{고대 그리스어}라고 불렀는데, 이는 문자 그대로 "횃불"을 의미한다. 두 개가 나타나는 경우에는 헬레네의 신화 속 쌍둥이 형제인 카스토르와 폴룩스의 이름을 따서 불렀다.

윌리엄 셰익스피어의 희곡 템페스트(약 1623년) 1막 2장에서 아리엘은 프로스페로의 명령에 따라 일으킨 폭풍의 증거로 세인트 엘모의 불을 일으킨다.

새뮤얼 테일러 콜리지의 시 늙은 항해사의 노래에서는 세인트 엘모의 불이 "죽음의 불"로 묘사된다.

허먼 멜빌의 소설 모비딕 119장 "촛불"에서 스타벅은 일본 해의 뇌우 동안 "코르푸산트"를 가리킨다.

쥘 베른의 소설 지구 속 여행(1864) 35장에서는 지하의 전기 폭풍 중 항해하는 동안 발생하는 세인트 엘모의 불을 묘사한다.

앤 래드클리프의 소설 우돌포의 수수께끼(1794)에서는 성벽 위의 뇌우 중에 세인트 엘모의 불이 나타난다.

이 외에도 세인트 엘모의 불은 율리우스 카이사르의 아프리카 전쟁기(47), 플리니우스의 자연사(제2권, 101항), 알카이오스 단편 34편 등에서 언급되었다.

5. 연구

존 데이비스가 지휘한 두 번째 동인도 항해에서 1605년 5월 9일, 에드워드 미첼본 경이 지휘하는 '타이거'호에 탑승한 익명의 필자가 세인트 엘모의 불을 다음과 같이 묘사했다. "폭풍이 극에 달했을 때 밤에 우리의 돛대 꼭대기에 큰 촛불만 한 불꽃이 나타났는데, 포르투갈인들은 이를 코르푸 산투Corpo Santo^{포르투갈어}라고 부르며, 나타나면 최악의 상황은 지났다는 신성한 징조로 여긴다. 감사하게도, 그 후 날씨가 좋아졌다."