여름철 하늘에서 뻗어 내리는 천둥번개의 꽝꽝하는 소리에 소름끼친 경험이 여러번 있었을 것이다

번개는 전기와 무슨 관련이 있을까요?

옛날 미국의 프랭클린이라는 과학자는 1752년에 네달란드 뮈센브루크가 발명한 전기를 모이게 하기 위하여 발명한 '라이덴병'(1746년 발명)을 연줄에 달아 올려 실험을 함으로써 벼락이 전기인 것을 증명하였다. 오늘날에는 번개가 "신의 분노"가 아니라 전기현상이라는 것은 누구나 다 알고 있는 사실이지만 역시 무서운 것은 예나 지금이나 변함이 없다. 소리와 빛의 향연이라고 할 수도 있겠지만 역시 무서운 존재다.

그렇다면 구름 중에서 가장 전기를 띠기 쉬운 적란운은 어떻게 전기를 축적하는가 살펴보자.

(1) 뢰운의 발생
뢰운의 특징은 구름 층의 높이가 매우 높다는 것이다. 그림1-1에 뢰운이 발달하는 단계를 나타내었다. 초기의 것도 구름의 밑이 지상에서 1000∼2000m 높이에 있으며 정상부분은 8000m 상공까지 뻗혀있다.
이러한 구름의 구성은 구름 중의 공기가 점점 상승해가는 상태에 있기 때문에 종방향으로 길게 늘어선 모양을 이룬다. 이것은 상승기류가 활발해짐을 나타내는 (그림1-2) 뢰운의 전하분포 것으로 이것이 대량의 전기가 만들어 지는 원인이 된다.
그 이유는, 활발한 상승기류로 인하여 물방울이 서로 결합하여 큰입자로 되고, 상공으로 감에 따라 온도가 낮아져 얼어붙게 되어 얼음입자로 변한다. 이들 중 작은 얼음입자는 위로 날아가지만 큰 입자는 그 무게 때문에 상승기류에 지탱할 수 없게 되어 아래로 낙하한다.
이들이 떨어지면서 마찰이나 충돌 등의 복잡한 운동에 의해 ＋전하를 가진 부분과 －전하를 가진 부분으로 대전한다. 이들 중 일부는 낙하도중에 녹아서 강한 비를 내리기도 한다. 전하의 분포는 구름의 상부에는 ＋로, 아래부분은 －로 된다. 이때 대량의 전하가 만들어지므로 구름들끼리의 방전이나 낙뢰가 발생한다. 지표의 ＋전하는 구름의 하단부에 있는 －전하에 의해 유도되어 생긴 것이다.

(2) 낙뢰
낙뢰가 발생될 때 구름과 지상 사이에는 어느 정도의 전압이 걸리게 되는가. 1㎝ 떨어진 공기절연체의 절연이 파괴되어 방전이 일어나기 위해서는 수천볼트 이상의 전압이 필요하다. 지금 구름의 밑이 지상에서 2000m 상공에 위치해 있고 1㎝당의 방전전압이 5000볼트(V)라고 하면 낙뢰시의 전압은 약5000 X 2 X 105 = 10×108V , 결국 10억 볼트가 된다. 또, 그때의 뢰 에너지는 1회 낙뢰로 인해 중화되는 전기량을 20쿠울롱 이라고 하면 W=1/2QV(W.s) 로 되어 W=1/2 20 X 10 X 108 = 10 10 ( W.s )=2778KWh 로 된다.

(3) 여름뢰와 겨울뢰
일반적으로 대기가 불안정하면 상승 기류가 일어난다. 여름의 경우 지상 가까이에 있는 소립원 기단의 습한 공기가 확장되어 시베리아에서 불어온 찬 공기가 상공으로 진입하면 뢰가 발생되기 쉽다. 겨울에는 동해측에서 기온이 낮아지면 같은 조건이 생겨 대기가 대단히 불안하게 되어 동계뢰를 발생시킨다. 여름철 뢰와 겨울철 뢰가 다른 점은 다음과 같다.(그림1-3 참조) ① 여름 뢰운은 1.5∼10㎞ 이상 높이의 층을 갖고 있으나 겨울 뢰운은 300m∼6㎞정도로 낮다. ② 겨울철 동해 연안에는 대기의 상층부가 하층부 보다 풍속이 강하기 때문에 뢰운이 수평 방향으로 확장된다.

-  대한전기협회 자료출처 -