안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.
이번 글에서는 번개(Lightning)에 대해 알아보겠습니다.
번개는 자연적으로 발생하는 정전기 방전으로, 대기 또는 지상에 있는 두 개의 전하 영역이 일시적으로 중화되어 평균 1 GJ(기가줄)의 에너지가 방출되는 현상입니다.
인간은 지난 수천년간 번개를 신격화 했으며, 번쩍거리는 빛은 번개, 소리는 천둥, 땅에 내려꽂히면 벼락 또는 낙뢰 라고 합니다.
이번 글에서는 번개의 발생 원인과 종류에 대해 알아보도록 하겠습니다.
번개의 발생 원인
번개가 발생하기 위해서는 두 가지 전제 조건이 필요합니다.
1. 공간의 두 영역 사이에 충분히 높은 전위차가 존재해야 합니다.
2. 저항이 높은 매질이 전하의 균등화를 방해해야 합니다. (대기는 이를 위한 훌륭한 절연 장벽 입니다.)
위 전제 조건은 일반적으로 큰 비구름에서 만족된다는 것은 잘 알려져 있습니다만, 이것이 발생하게 되는 정확한 프로세스는 완벽하게 연구되지 않았습니다.
뇌운이 대지 위로 이동할 때, 구름 아래의 지구 표면에는 동일한 크기의 반대 극성의 전하가 유도됩니다.
이 반대 극성의 전하는 공기 내에 전기장을 형성하며, 이것은 뇌운이 보유한 전하량에 따라 강도가 달라집니다.
이후, "Leader"라고 명명된 이온화된 공기 영역이 뇌운에서 지상으로, 일부는 지상에서 뇌운으로 뻗어나가게 됩니다.
Leader는 나뭇가지와 같은 모양을 그리며 패턴을 형성합니다.
이후, 양쪽 Leader가 서로 연결되는 순간 공기층의 절연 장벽으로 인한 저항이 크게 떨어집니다.
이 때, 강력한 전류가 지상에서 구름을 향해 이동하게 되며, 이를 Return Stroke라고 부릅니다.
최대 30,000 Amps의 전류가 흐르며, 순간적으로 공기의 온도가 30,000 K까지 가열되어 폭발적으로 팽창하게 됩니다.
이 순간적인 팽창으로 인한 소음이 천둥입니다.
번개의 종류
위에서 서술 했듯이, 우리는 아직 번개의 발생 메커니즘을 명확하게 밝혀내지 못했습니다.
번개는 여러가지 종류가 있으며, 대표적인 종류 및 희귀한 종류까지 알아보겠습니다.
CG Lightning (Cloud to Ground)
구름과 지면 사이의 번개로, 가장 흔한 번개의 유형 중 하나입니다.
일반적으로 Leader가 구름에서 지면으로 이동하며, 전하가 구름에서 지면으로 이동합니다. (전류는 지면에서 구름으로 흐르게 됩니다.)
평균 30,000 Amps의 전류와 15C(쿨롱)의 전하, 1 GJ(기가줄)의 에너지를 전달합니다.
CC Lightning (Cloud to Cloud)
흔히 볼 수 있는 번개의 유형으로, 구름과 구름 사이에서 발생하는 번개입니다.
두 개의 구름 사이에 큰 전위차가 발생하는 경우 생성되며, 지면에 닿지 않습니다.
IC Lightning (Intra Cloud)
단일 구름 내에서 일정 영역간 전위차가 발생하는 경우 생셩되는 번개이며, 마찬가지로 지면에 닿지 않습니다.
Ball Lightning
구형 번개는 명확히 설명되지 않은 대기의 전기 현상이며, 그 물리적 특성은 여전히 논란거리 입니다.
완두콩만한 크기부터 직경 수 미터에 이르는 구형으로 관측되며, 수 초간 지속되며 이동합니다.
https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE
Clear-air Lightning
마른 하늘에 날벼락 입니다.
실제로 존재하는 현상이며, 번개를 생성할 만한 구름이 없는 상태에서 갑자기 발생하기도 합니다.
옛 선조들은 이걸 보고 무슨 생각을 했을까요..
https://www.youtube.com/watch?v=MXp-bHsMX9A
Blue Jets
블루 제트는 구름 위쪽으로 발생하는 번개입니다.
크기는 수십 km에 달하며, 엄청난 에너지를 대기권 위쪽으로 방출합니다.
https://www.youtube.com/watch?v=QiqDNN19Gbg
Sprites
스프라이트는 뇌우 또는 적란운 위에서 발생하는 대규모 전기 방전으로, 매우 다양한 형태를 띄고 있습니다.
일반적으로 적황색 또는 녹청색을 나타내며 지구 표면에서 50km ~ 90km 영역에서 발생합니다.
https://www.youtube.com/watch?v=tGPQ5kzJ9Tg
Elves
엘브스는 지상 100km의 전리층에서 발생하는 직경 약 400km의 굉장히 거대한 구형 번개입니다.
이러한 대기권 위쪽에서의 번개는 우주정거장 / 우주왕복선 / 항공기 / 전투기 조종사들에 의해서 주로 관측되고 있습니다.
관측 사례가 굉장히 드물기에, 영상을 찾기도 어렵습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=D7mqs6fng7o
Upward Lightning (GC Lightning, Ground to Cloud)
상향 번개는 지면에서부터 시작하는 번개로, 추운 계절에 주로 발생합니다.
https://www.youtube.com/watch?v=FqnQXRaSw28
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