[물리학-전자기학] 40. 번개 | Lightning

 

번개

Lightning

 

번개: 구름에 축전된 전하가 매우 짧은 시간 내에 대지로 흘러가는 현상, 구름-구름 간 또는 구름-지표면 간 공중 전기의 방전에 의해 일어난 불꽃

• 낙뢰(lightning strike): 대지방전, 구름-지표면 간에 발생한 번개로 현대 사회에서는 주로 건물 옥상의 피뢰침 또는 나무 등에 떨어진다.
• 1회 낙뢰의 물리량: 약 10억볼트 이상의 전압, 5만 암페어 전류, 낙뢰가 떨어진 곳의 순간 표면 온도는 최대 28,000도에 달함

​

형성과정

대기 이온화로 인한 전기장 형성

우주선(cosmic ray)과 방사성 붕괴는 대기 이온화의 주요한 요인이다.

• 뮤 중간자의 전자 붕괴, 감마선의 공기분자 이온화 등으로 인해, 대기는 이온화(ionization)[그림 1]된다.
• 구분된 양전하, 음전하 분포로 인해 구름-구름 간 전기장이 생성된다. 또한 공기의 이온화 발생시 하향하는 대기 전기장(대기 양전하-지면 음전하)에 의해 공지전류(air-earth current)[그림 2]가 발생한다. 공지전류란, 대기로부터 지면을 향해 흘러들어오는 전류이다.

​

그림 1. 대기중 이온화 발생

 

그림 2. 지표면은 (-)전기의 저장소 역할을 한다.

 

 

적란운 형성

• 적란운(cumulonimbus): 많은 양의 수증기가 상승기류로 인해 솟구치면서 생성된 구름[그림 3]

그림 3. 적란운 [출처: Wikipedia]

 

그림 4. 슈퍼셀 [출처: 미국 국립기상대]

 

매우 발달한 적란운은 [그림 4]의 슈퍼셀을 형성하거나, 그 전에 비와 눈을 내린다.

1. 구름 방전: 적란운 내부에서 전하는 충분히 전하라 분리되어 축적되는데, 주로 상승부는 양전하가 하단부는 음전하로 나뉜다. 두 전하층에 의해 전기장이 생성됨과 동시에 방전이 발생하는데, 특히 구름 속에서 일어나는 방전을 구름 방전이라 한다.
2. 대지 방전: 낙뢰(구름-지표면 간)로 적란운에 의한 방전 중 10% 미만 정도를 차지한다.[출처: 기상청]

​

적란운 내의 전하분포 형성은 영국의 기상학자 조지 심슨(George Simpson, 1878-1965)에 의해서 1937년에 규명되었는데, (+), (-), (+)의 삼극구조[그림 5] 모델을 제시하였다. ⇒ 대부분의 적란운 하부는 음전하로 구성되나, 적란운 중심부 소구역에는 양전하가 몰려있었고 심슨은 이를 양전하 주머니(pocket positive charge)[그림 5]라 명명했다.

 

George Simpson, 1878-1965

 

그림 5. 적란운 삼극구조

 

대지 방전(구름-지표면)

일반적인 번개는 지면과 뇌운(thunderstorm cloud) 사이의 대류권에서 발생하는 전기적 방전현상이다.

• 뇌운은 번개현상을 일으키는 일반적인 구름으로 많은 경우 적란운이 이에 해당한다.
• 전도성 통로: 뇌운의 음전하와 지표면의 양전하 사이에 형성되는 저항이 낮은 전도성 길
• 뇌운과 지표면 사이의 전위차로 인해 '저항이 낮은 경로'로 방전현상이 일어난다. ⇒ 번개 현상으로 보여짐

​

상층대기 번개(메가 번개)

Megalightning

 

통상적인 번개들은 지면과 뇌운 사이의 대류권에서 일어나는 현상이다. 반면 성층권과 중간층, 그리고 전리층과 같이 더 높은 대기 중에도 번개가 발생하는데, 이들을 메가 번개[그림 6]라고 부른다.

• 구름 상에서의 번개로 일반 번개보다 규모가 최대 1000배 이상 크다.
• 1989년 스프라이트 번개가 발견된 이후 메가 번개의 존재가 연구되기 시작함 [출처: Lightning Research, NASA]

 

그림 6. 메가 번개 [출처: Wikipedia]

 

메가 번개의 종류는 크게 다음과 같다.

​

1. 블루제트(blue jet)[그림 7]: 먹구름 주위에서 발견된다.
2. 스프라이트(sprites, red sprites)[그림 8]: 뇌운 위쪽 90~100km 사이에서 시작되는 번개로 적색섬광을 띤다. ⇒ 대기의 질소 분자 이온이 전자와 재결합할 때 방출하는 색과 일치한다.
3. 엘브스(ELVES; Emission of Light and Very low frequency perturbations due to Electromagnetic pulse Sources): 스프라이트 발생 전 진행되는 번개로 75~105km 사이의 전리층에서 팽창 후 후광처럼 나타난다.

 

그림 7. Blue Jet [출처: Wikipedia]

 

그림 8. Sprites [출처: Wikipedia]