뇌방전의 종류

뇌방전은 뇌운속에서 분리 축적된 음(-), 양(+)의 전하 사이 또는 뇌운 속의 전하와 지면에 유도되는 전하와의 사이에서 발생하는 불꽃방전을 말한다. 이러한 뇌방전의 종류를 크게 분류하면 다음과 같다

어느 쪽의 방전도 규모가 대단히 크고, 방전 직전의 양쪽 전하 중심 사이의 전위차는 108~109V, 중화되는 전하는 통상20~30C이며 방전로는 수 km에서 수십 km에 이른다.

뇌방전의 전기

 뇌방전은 뇌운 안에서 분리된 양(+)전하와 음(-)전하의 두 전하 사이 또는 구름 내부의 전하와 지표에 유도된 전하 사이의 불꽃방전이므로 뇌운 안에는 이 불꽃방전을 반복하는데 충분한 전하의 분리가 계속 일어나고 있다. 그 결과 그림의 모형도에 표시한 것과 같은 CELL 안에서 양(+)전하는 구름의 상부에 넓게 분산해서 분포하고, 음(-)전하는 구름 안에서 기둥모양을 하고 있는 심한 강수구역에 농밀하게 분포한다. 또한 구름밑면 부근에 양(+)전하의 분포가 존재한다고 전해지고 있다.

세계 각지에서 발생하는 뇌운과 뇌방전에 대한 관측과 연구에 의하여 뇌방전을 일으키는 전하의 생성과 분리에 대해서는 상당히 정량화된 결과를 얻을 수 있게 되어 영국의 Mason(1971)은 이것을 다음과 같이 정리하였다.

가. 뇌운을 구성하고 있는 1개의 CELL 안에서의 강수와 전기적 활동의 평균 지속시간은 약 30분이다.

나. 한번의 뇌방전에서는 20~30Coulomb의 전하가 중화된다.

다. 전하의 분리는 -5~-40˚C의 온도층에서 반지름이약 2km인 기둥모양의 제한된 체적 내에서 일어나고 있다.

라. 음(-)전하는 -5˚C의 온도층 부근에 중심을 두고, 양(+)전하는 그 수km 위쪽에 넓게 분포한다. 또한, 국지적
     인 양(+)전하가 구름밑면 부근에 있는데, 그 중심은 0˚C층 또는 바로 밑에 있다.

마. 전하의 분리는 강수, 특히 싸락눈 또는 우박의 발달과 밀접한 관련이 있으며, 이들 현상은 수m/sec의 상승
     기류 속을 낙하할 수 있을 정도의 크기에 달한 경우 발생한다.

바. 전하분리의 속도는 레이더로 검출되는 강수 시작부터 12~20분 이내에 최초의 불꽃 방전을 일으킬 수 있어
     야 한다.

운-대지간 방전(대지방전)

 운대지간 방전은 구름과 대지사이에서 발생하는 섬낙을 말한다. 뇌격은 구름으로부터 지면을 향해서 하강하는 비교적 약한 빛의 Stepped Leader과 이것이 지면에 도달하는 순간, 같은 길을 통해서 지면으로부터 구름을 향해서 상승하는 매우 밝고 빠른 속도의 방전, 즉 Return stroke으로 되어 있다.

 낙뢰는 단 한번의 뇌격으로 끝나는 것과 몇 회로부터 수십 회의 뇌격을 반복하는 것이 있으며, 후자를 다중낙뢰라 한다. 뇌격과 뇌격사이의 시간간격은 보통 40msec 정도이나 Return stroke이 있은 뒤 방전로에 잔광이 계속되어 그 사이 방전전류가 계속해서 흐를 경우가 있는데, 이것을 연속전류라고 한다.

 연속전류는 통상의 뇌격간격보다 오래 지속될 때가 있어서 때로는 300msec에 이른다. 연속전류를 동반하지 않는 뇌격을 간헐뇌격, 연속전류를 동반하는 뇌격을 연속뇌격이라고 이름 붙여 양자를 구별한다.

 다중낙뢰는 몇 개의 간헐뇌격을 반복하는 것이 많으나, 정밀하게 관측하면 1개 또는 2개의 연속전류를 포함한낙뢰도 다중낙뢰의 절반 가까이 된다는 것을 알게 된다.

대지방전의 특성

 대지 방전의 주요 특성은 아래표와 같으며, 이 표의 4개 항목의 값은 어느 것이나 개개의 대지방전 즉, 벼락에 의한 변동 폭이 크므로 가장 빈번히 관측되는 값을 대표값으로하고, 거의 모든 관측 값은 이 사이에 포함된다고 하는 뜻에서 하한값, 상한값이라 한다.

[ 낙뢰의 특성 ]

또한, 대지방전에 포함되는 뇌격수의 빈도분포를 그림과 같이 히스토그램으로 나타내었다. 어느 항목이나 하한은 실측에서도 이론적 고찰에서도 명확한 값이 결정되지만 상한선은 그다지 명확하지 않으며, 여기에 나타낸 값은 신뢰할 수 있는 최고기록의 예에 불과하다. 특히, 뇌격간격은 연속 뇌격 후에는 연속전류가 지속되는 시간만큼 여분으로 길어진다.

[뇌격수의 빈도분포]

대지방전의 Leader와 Return Stroke

 대지방전의 방전로는 구름 밑면으로부터 아래쪽으로 내려감에 따라 분지를 만들어 나뭇가지를 거꾸로 한 형태가 되고, 그중 1개 또는 2~3개가 지상에 달한다. 이 분지의 수가 많고 그것이 명확하게 관측되는 것을 나뭇가지 모양의 낙뢰라 하고, 분지가 없는 것을 줄 모양의 낙뢰 또는 줄낙뢰라고 한다.

 다중낙뢰의 경우 분지는 제 1뇌격에만 나타나고 제 2이후의 뇌격에서는 구름과 지표를 연결하는 방전만이 발광한다.

 그림은 고속카메라로 촬영된 다중낙뢰의 최초 두번의 간헐뇌격의 예를 나타낸 것이다. 하강하는 번개는 아래쪽일수록, 상승하는 번개는 위쪽일수록 화살표 방향으로 변위하며, 변위는 번개의 진행속도에 반비례한다.

 제 1뇌격의 Leader는 제 2 및 그 이후의 것과 크게 달라서 지속시간이 10배정도 길고, 빛은 20m 진행할 때마다 약 50μsec의 정지시간을 두며, 이 정지시간에 20m씩 하강하므로 Stepped Leader로 불린다.

 제 2 및 그 이후의 뇌격의 Leader는 앞의 뇌격 방전로를 따라 길이 약 40m의 가늘고 긴 발광부가 하강하는 방전으로 관측되어 Part Leader라고 불린다. Leader는 Stepped Leader, Part Leader 모두 구름 속의 음(-)전하 영역으로부터 지상을 향해 뻗치는 전리로서, 그 진행에 따라 구름의 음(-)전하를 전리로에 따라 다시 분포시킨다.

 이것이 지상에 도달하면 지표로부터 공급되는 양(+)전하에 의하여 전리로는 하단으로부터 급격히 중화되며, 이 중화를 일으키는 방전역은 빛의 1/10~1/3의 속도로 상승해서 약 40μsec로 구름 밑면에 도달하는데, 이 사이 방전 영역과 지면과의 사이에는 충격전류가 흘러서 수 μsec 이내에 10~20kA의 파고 값에 달하며 보통 20~60μsec 후에는 파고값의 반으로 감소한다.

운 뇌방전

 운간 뇌방전, 운내 뇌방전 등 운뇌방전은 고속카메라에 의하여 뇌방전의 운동을 분석하기 어렵고, 대지방전과 같이 규칙성을 나타내지 않는 등의 원인으로 자세한 물리적인 특성에 대해 알려져 있지 않으나 구름 속에서는 K-방전이라 불리는 발광을 동반하는 소방전이 불규칙적으로 반복되고 있다.

 운내 방전에 의하여 중화되는 전하는 대지방전의 경우와 같이 대표값으로 20~30C이다. 방전로가 모두 구름속에 있어서 보이지 않고 구름 전체가 밝게 빛나는 번개를 막전이라고 한다. 방전로의 일부가 구름이 없는 공간에 뻗치는 뇌방전을 공간방전이라고 한다.