뇌우

요약 번개와 천둥을 발생시키는 하나의 폭풍우이다. 빈번히 돌풍, 폭우 및 우박을 발생시킨다. 일반적으로 발달의 3단계를 거치는데 적운 단계에서는 강한 상승기류와 폭풍우를 동반시킨다. 성숙단계에서는 집중 강수가 특징적이며 신선한 하강기류가 폭풍우의 부분에서 나타난다. 마지막 소멸단계에서는 강수는 약해지고 구름은 증발하기 시작한다.

대부분의 경우 강한 폭풍·폭우를 동반하며 때때로 우박·토네이도를 수반하기도 한다. 뇌우는 하나의 적란운에 의하여 발생되어 좁은 영역에만 영향을 미치나, 때로는 넓은 영역을 덮는 적란운의 군집과 연관되기도 한다.

뇌우가 형성되기 위해서는 반드시 습하고 두꺼운 공기층과 국지적으로 급격한 기온감률을 보이는 곳에서 발생한다. 이러한 조건에서 뇌우가 발생하는 이유는 주위보다 따뜻한 공기덩어리가 부력(浮力)에 의해 상승하기 때문이다. 상승하는 공기덩어리가 구름 하부에서 응결점에 도달하게 되면 공기 속의 수증기는 응결하게 되고, 수증기 응결시 발생하는 잠열(潛熱)이 공기덩어리에 공급된다. 이로 인해 공기덩어리 온도는 더욱 상승하게 되어 공기덩어리는 계속 상승하게 된다. 또한 뇌우의 상부에는 눈이나 빙정(氷晶)들이 관찰되는데, 이들의 용융 잠열도 상승기류를 유지시켜주는 역할을 한다.

뇌우의 발달 단계

뇌우는 평균적으로 3~5개의 대류세포(對流細胞)로 구성되는데, 각각의 대류세포는 거의 수직인 기류 방향을 갖고 크기가 변하면서 일생을 마친다. 이들의 일생은 생성·성숙·소멸의 3단계를 거친다.

1. 적운 단계 
최초의 생성기(또는 적운기)에는 불안정한 기층에서 습한 공기가 부력에 의해 상승할 때 발달하므로 뇌우는 오후와 이른 저녁에 가장 일반적으로 발생한다. 지면 가열에 의해 발생한 하나의 상승세포는 기껏해야 10~15분 내로 증발하는 작은 적운을 생성시킨다.

이 적운단계에는 구름의 기저(基底)에서 꼭대기까지 다다르는 강한 상승기류가 존재한다. 상승기류의 평균속력은 4~8m/s이다. 대기가 충분히 불안정한 상태이면 상승에 필요한 에너지가 계속적으로 공급되며 대류세포의 크기와 강도는 계속적으로 증가하게 된다. 대류세포의 크기가 증가하면 구름과 물의 총량도 증가한다.

활발한 상승기류가 형성된 후 강수입자(降水粒子)는 다음 단계로의 발달과 전하(電荷) 중심을 형성하기에 충분한 크기로 자라게 된다. 대류세포 상부의 차가운 부분에서는 눈이나 싸락눈의 형태가, 따뜻한 하부에서는 빗방울 형태의 강수가 나타난다.

2. 성숙 단계

1만 2,000m인 탑상 적란운의 발달은 계속적인 습윤 공기의 공급을 필요로 한다. 새롭게 급상하는 따뜻한 공기는 구름 고도를 합해서 1만 8,000m보다 더 높게 상승한다. 이 상승기류가 우박을 위로 이동시키기 위해서는 상승기류 속도가 때때로 시속 100km 이상까지 도달하여야 한다. 보통 한 시간 내의 누적 강수량은 상승기류를 고려한다면 너무 많게 된다. 결국 구름의 한부분에서는 심한 강수를 내리면서 하강 기류가 발달하게 됨을 의미한다.

생성기 때 우세했던 상승기류는 강수입자의 양과 크기가 증가함에 따라 하강기류로 변하게 된다. 난류에 의해 구름 외부의 맑은 공기가 구름 내로 유입되어 혼합되면 증발냉각이 일어나는데, 이 또한 상승기류를 약화시키는 요인이 된다. 초기에 하강기류는 작고 상승기류의 일부분에 존재하지만, 점차로 하강기류가 대류세포의 전부분을 차지하며 상승기류는 점점 약해진다.

성숙기는 뇌우의 가장 활동적인 단계이며 이 단계에서 돌풍, 번개, 폭우 혹은 우박이 나타난다.

또한 성숙기에는 전하 중심이 잘 발달한다. 이때 상부의 양극 중심과 하부의 음극 중심의 충돌, 또는 2개 중 하나와 지표면과의 충돌시 발생하는 방전(放電)에 의해 천둥을 동반한 번개가 발생한다. 일반적으로 각각의 번개는 수백분의 1초의 시간 간격을 갖는 여러 개의 낙뢰(落雷)로 구성된다. 낙뢰의 높게 가열된 통로를 따라 압축파(壓縮波)에 의한 천둥소리가 발생한다. 낙뢰통로의 각 부분에서는 강한 음파가 발생되며, 이들은 각기 다른 경로를 통해 관찰자에게 전달된다.

3. 소멸 단계

구름 속에 상승기류가 없어지는 때가 마지막 단계인 소멸기의 시작이다. 성숙기가 시작될 때 지상에서는 폭우가 내린다. 강수지역과 밀접히 연관되어 있는 하강기류는 비가 내리기 시작한 지 몇 분 후에 지표면에 도달한다. 하강기류 내의 공기는 계속적인 증발로 차가워져 하강속도를 증가시키게 된다. 하강기류가 지표 근처에 도달하게 되면 모든 방향으로 찬 공기의 확산이 일어나, 강수 지역으로부터 차가운 폭풍이 불어오게 된다. 소멸기의 뇌우세포는 전체가 약한 하강기류로 덮이고 비도 약해진다. 지표면의 강수는 성숙기 때보다 훨씬 약하다. 또한 하강기류가 약해짐에 따라 찬공기의 유출도 점차 줄어든다.

뇌우의 지속 시간

뇌우의 지속시간은 다양한데, 관찰결과에 의하면 발달의 처음 2단계는 각각 약 15~20분간 지속된다. 이들 단계에서 구름 높이는 11~20㎞에 달하며 수평적으로는 수㎞ 규모에 달한다. 마지막 단계의 지속시간은 매우 다양하다. 폭풍은 갑자기 소멸되기도 하며, 때로는 커다랗고 형태가 분명하지 않은 구름에서 수 시간 동안 지속되는 약한 비를 내리기도 한다. 이러한 차이는 구름을 형성하는 기단의 차이에 의해 나타난다. 뇌운(雷雲)의 상부에 특징적으로 나타나는 모루운은 상승하는 구름이 대류권 내의 열적으로 안정된 층과 만날 때 형성된다. 대류권은 성층권 아래에 존재하며 지표면에서 약 11~16㎞ 높이까지이다.

뇌우의 발생 지역

뇌우는 거의 세계 모든 지역에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 극지방에서는 거의 발생하지 않으며, 북위 50°, 남위 50° 이상의 지역에서도 매우 드물다. 미국에서 뇌우 발생이 가장 심한 지역은 플로리다 반도, 멕시코 만의 해안(연중 70~80일), 뉴멕시코의 산악지대(연중 50~60일) 등이다. 중앙 유럽과 아시아는 연중 20~60일 정도이다. 세계적으로 보아 동시에 관찰되는 뇌우의 수는 약 1,800개에 달한다.