번개는 어떤 원리로 발생할까? (물방울, 얼음갱이)

번개는 어떻게 생길까

 

번개(Lightning)와 벼락(Thunder)은 차이가 있다.

번개(Lightning)는 구름과 구름, 구름과 대지 사이에서 공중 전기의 방전이 일어나 번쩍이는 불꽃을 말하며

벼락(Thunder)은 공중의 전기와 땅 위의 물체에 흐르는 전기와의 사이에 방전 작용으로 일어나는 자연현상을 말한다.(물리화학적 현상) 

 

번개는 4가지가 있다.(지난 글에 이어서 다시 말하면서 시작한다.)

1. 낙뢰 : 뇌운에서 대지로 방출하는 전하

2. 운간방전 : 뇌운'간'의 방전(Cloud to Cloud)

3. 운내방전 : 뇌운'내'의 방전

4. 대기방전 : 뇌운과 주위의 대기사이의 방전  

사진의 번개에는 여러 색이 뒤엉켜 있다. 

하지만 벼락이나 번개는 전기의 방전현상 자체이므로 색이 없는 '무색'이다. 

이렇게 색이 보이는 이유는 방전시 주변공기가 1000도 이상 올라가기에 공기의 온도상태와 공기에 포함된 물질 및 번개의 주변 배경(노을, 먹구름, 푸른하늘 등)과 같이 환경 요소들에 어울려져 색을 띄는것이다.

 

우리 주변의 현상을 예로 들면, 형광등이 방전등으로 형광등속에 네온가스를 넣으면 노란색 가로등이 되는 것과 같은 원리이다. 지구에는 시간당 100만번 이상의 벼락이 발생하고, 벼락 하나의 전력은 37,000,000,000[kW]의 힘(37억kW)이 있다고 한다. 번개가 전기현상에 의한 것이라는 것은 240여년전 벤자민 프랭크린에 의하여 밝혀졌다.

 

천둥, 번개의 발생원인이 되는 가장 보편적인 것은 뇌운이지만 그 이외에도 눈보라, 모래폭풍, 화산폭발 등이 원인이 될 수 있다.  그래서 영화'매드맥스'를 보면 모래폭풍 사이로 번개가 보이는 것이다. (조만간 치킨먹으며 한번 더 봐야겠다.)

낙뢰(번개)의 9할 이상은 음전하를 띄며 양전하를 띈 낙뢰(번개)는 1할에 미치지 못한다.

음전하를 띈 낙뢰의 뇌격전류는 평균 33kA이지만, 양전하를 띈 낙뢰의 경우는 75kA정도의 높은 뇌격전류를 가지고 있어 양전하를 띄 낙뢰의 피해가능성은 적지만 일단 피해를 입게되면 음전하를 띄 낙뢰의 배 이상의 피래를 입게된다.

피뢰침을 선정할 때는 음전하를 띄 낙뢰에 대해 공기 뇌격 흡인효과를 지닌 피뢰침을 선택해야 한다.

http://m.dongascience.donga.com/news.php?idx=24955

이 나무는 미국의 나무였던걸로, 낙뢰를 맞아 나무의 전체가 숯덩이가 되버린 것이다. 자연의 경이로움에 한없이 작아지는 우리이다.

 

벼락, 번개의 생성과정

- 지구는 하나의 거대한 전하 저장구처럼 동작하고있따. 정전용량이 가장 큰 구슬이라고 할 수 있다.

평소 공기는 완전 절연체가 아니므로 공기 중 높은 곳과 낮은 곳 사이에 강한 전기장이 존재하는데 맑은 날 지구 표면 근처의 전기장의 세기는 100V/m에 달하며 전기층과 지구 사이에 아주 작은 전류가 흐른다.

그러나 벼락이 지구에 음전하를 계속 공급하므로 지구는 일정한 전하를 유지한다. 

 (위에 글에 이어 한번 더 말하자면, 음전하를 띤 낙뢰가 90% 이상이며 양전하를 띈 낙뢰가 10%에 해당한다.)

 

소나기 구름인 적란운 구름의 맨 윗부분은 양전하로 대전되고, 중간은 음으로 대전되어 있고, 맨 아래 부분은 약하게 대전된 양 전하가 모여있는 구조가 위 그림이다. 

구름이 전기를 띄면 불안정해지고 구름 사이 지역에서 음전하가 모여 만든느 전기장이 3~4kV/cm 이상으로 굉장히 강하다. 공기를 통하여 구름 사이의 번개 또는 구름과 땅 사이에 전기 방전이 발생한다. 

 

건조한 공기 절연내압은 직류 30kV/cm, 교류 21kV/cm

우천시 습한 공기절연 내압은 직류 7~8kV/cm 으로 우천시 쉽게 방전이 일어난다. (너무 작아 인간의 감각이 인지하지 못하는 경우가 대부분이지만, 수시로 방전하여, 건조한 날씨의 찌릿함 같은 방전이 없는것이다.)

 

뇌격전류 평균크기 20kA

낙뢰 대지방전시간 약1us

우리나라 낙뢰발생 평균은 28만/년개 이고 극성분포는 positive34% 와 negative66% 이다.

뇌격전류평균은 19.85kA이고 최댓값은 positive 1202kA 이며, negative 1657kA이다.

 

벼락은 구름에 모인 전기의 극성에 따라 양전하 벼락과 음전하 벼락으로 구분짓는다.

이 중 90%가 음전하 벼락이다. 보통 벼락의 최대 전류는 30kA로 굉장히 큰 전류이며 흐르는 시간은 30us 이다.

일반적인 낙뢰가 구름이 음전하로 대전되고 지구로 방전되는 경우이다. 

 

정리

- 평소 맑은 날에도 지구는 표면과 높은 공기층 사이에 강한'자기장'이 존재하고 미세한 전류가 흐른다. 이렇게 흐르는 전류는 음전하 벼락에 의해 지구표면으로 음전하가 공급되어 지구는 일정한 전하균형을 유지할 수 있다. 

 

- 소나기 구름(적난운)이 형성되면서 양전하는 구름위로 가고, 음전하는 구름 하단으로 모여 전위가 형성된다. 전기장이 4kV/cm 이상으로 강해지면 지구표면과 구름간의 전하방전(낙뢰)가 발생한다.

 

- 낙뢰의 90% 이상이 구름의 음전하가 지표로 내려오는 낙뢰이며 지표면의 양전하와 방전하는 것이다. 

 

- 구름의 음전하가 내려오는 낙뢰는 뇌격전류가 평균 33kA인데 양전하를 띈 낙뢰는 75kA로 뇌격전류가 높다.

 

- 건조한 공기 절연내압은 직류 30kv/cm인데 우천시 (습한)공기절연내압은 직류 8kV/cm로 우천시 쉽게 방전이 일어난다.

 

- 지표면의 양전하가 낙뢰로 내려온 음전하를 만나는 순간 하나의 낙뢰길이 열리고 양전하가 구름으로 솟구쳐 올라간다.

 

- 방전후 구름에 아직 음전하가 남아 있으면 다시 낙뢰길을 따라 음전하가 내려오고 하는 과정을 3~4회 반복하는데 0.04초가 걸린다.

 

- 주변 공기의 급격한 팽창으로 천둥이 발생하고 발생하고 메아리로 인하여 여러번 지속되는 것 같은 착각을 일으킨다.

 

 

번개에 대해 더 알고싶다면

대류 이론과 중력 이론을 공부하면 되겠다!

 

- 참고자료

blog.naver.com/msnayana/80065591055

벼락 Thunder

 

blog.naver.com/electrically/90037252940

낙뢰의 종류