뇌운

요약 천둥, 번개 즉 뇌방전의 발생원인이 되는 가장 보편적인 구름을 뇌운(雷雲)이라 한다. 뇌운은 전기로 충전되어 있고 대체로 상단부는 양전하를 띤 얼음결정을 이루고, 하단부는 음전하를 띤 물방울로 이루어져 있다. 뇌운 속의 전하 축적에 의한 불꽂 방전으로 번개가 자주 나타나며 강한 소나기가 내린다.

뇌운

천둥 번개를 동반한 소나기를 내리는 구름을 말하며 때때로 지상에 돌풍과 함께 폭우와 우박을 동반한다.

뇌운은 고온 다습한 공기가 불안정 환경에서 상승할 때 일어난다. 습한 공기가 국지적으로 급격히 상승하면서 많은 숨은열을 방출할 때 발생한다. 대류에 의해 대류권계면까지 빠르게 상승한 공기는 권계면 위로 올라갈 수 없기 때문에 대류권 상부에서 수평으로 처지게 되어 모루구름(anvil clouds)의 형태를 나타나게 된다. 이렇게 잘 발달된 적란운을 뇌운이라고 한다.

뇌운의 상부에는 차고 밀도가 높은 공기가 존재하고 하부에는 따뜻하고 습도가 높은 공기가 존재하는 경우가 발생한다. 하부의 따뜻한 공기는 상승기류로 되어 상향하여 구름이 되고 상부의 찬 공기는 하강한다.

적란운이 발달하면서 구름 내부에 분리 축적된 음전하와 양전하 사이 혹은 구름 속의 전하와 지면에 유도되는 전하와의 사이에서 불꽂 방전이 발생하는데 이것이 번개(lighting)가 되는 것이다. 이때의 발생하는 소리를 천둥(thunder)이라 한다.

뇌우 안에서의 전하의 분리과정
뇌우는 대류권계면까지 발달하기 때문에 구름의 상당 부분은 얼음 입자로 구성된다. 응결고도 아래에서는 물방울이, 그리고 그 위에서는 빙정 또는 과냉각물방울이 구름을 구성한다.

빙정의 속과 표면 간에는 상당한 온도 경도가 존재한다. 중심에는 0℃ 그리고 표면에는 -5℃와 같은 온도 차이가 존재할 때, 열전효과(thermoelectric effect)에 의하여 양전하는 온도가 낮은 쪽으로(표면쪽으로) 이동하여 빙정 입자 표면에는 양전하가, 내부에는 음전하가 모이게 된다.

빙정의 온도가 더 낮아지면서 빙정 표면은 깨져 양전하를 띤 많은 수의 작은 빙정 입자를 만들어 내게 된다. 양전하를 띤 이 작은 빙정 입자들은 상승 기류에 의하여 구름의 상부로 수송되고, 음전하를 띤 큰 빙정 입자들은 구름의 하부쪽으로 낙하함으로써 구름 상부와 하부 사이에 전하가 분리된다. 
  
구름의 상부에는 양전하가 구름의 하부에는 음전하가 놓여 있다고 하자. 이같이 분리된 전하분포는 구름 중간층에 있는 빙정과 물방울 내에서의 전하 분리를 유도한다.

빙정의 상부에는 음전하가, 바닥 부분에는 양전하가 있게 된다. 이것은 같은 성질의 전하들을 서로 밀치려고 반대 성질의 전하들은 서로 끌어당기려 하는 전기적 성질 때문에 일어난 것이다. 이 같은 상승기류를 타고 올라가는 작은 입자들은 빙정의 아래 부분과 충돌하면서 양전하를 취한 후 계속 상승하여 구름 상부에 양전하량을 증가시키고, 음전하를 띤 큰 물방울들과 빙정들은 아래 부분으로 낙하하여 구름 하부의 음전하량을 증가시킨다. 이와 같은 과정들을 거쳐 전하의 분리가 일어나고 구름 내에서는 상당한 전위가 형성된다. 한편 구름의 밑 부분에는 음전기를 띠게 됨으로써 지면 부근에는 양전하가 유도된다.

번개의 방전(The Lightning Discharge)
뇌운의 전하가 임계점에 다다르면 방전이 일어나는데 다음과 같이 다섯 가지의 유형이 있다.

1. 뇌운과 뇌운 사이의 방전
2. 뇌운에서 공기로의 방전
3. 뇌운 안에서의 방전
4. 뇌운에서 지상으로의 방전
5. 지상에서 뇌운으로의 방전
뇌운 방전 중 대략 50%의 경우는 뇌운에서 지상으로의 방전이며, 지상에서 뇌운으로의 방전은 높은 산이나 고층 빌딩에서 발생한다.

낙뢰의 발생일
반적으로 낙뢰는 대기상태에서 다량의 양전하와 음전하가 분리되어 전계강도가 일정한 값을 초과하면 공기분자의 전리 파괴가 일어나 전자와 이온에 의한 전도로가 형성되어 발생한다.

낙뢰는 태풍과 같은 중간규모의 기층이 상승하거나 대규모의 안정된 기층이 상승할 때 발생하지 않고, 주로 공기밀도가 작은 난기를 파고들 때나 여름철 태양에너지가 풍부한 날 오후 국지적으로 지면에 접한 대기가 가열되어 빠른 속도로 상승할 때 뇌운이 생성되면서 낙뢰가 발생한다.

낙뢰의 90% 이상은 음전하를 띠며 양전하를 띤 낙뢰는 10%에도 미치지 못한다.

그러나 음전하를 띤 낙뢰의 뇌격전류는 평균 33kA이지만, 양전하를 띤 낙뢰의 경우는 75kA 정도의 높은 뇌격전류를 지니고 있어, 양전하를 띤 낙뢰의 피해 가능성은 적지만 일단 피해를 입게 된다. 이때 음전하와 양전하를 띤 낙뢰의 흡인효과를 지닌 피뢰침을 선택하여 피해를 최소화하게 된다.