뇌 방전(Lightning Discharge)의 특성 및 종류

뇌 방전(Lightning Discharge)의 특성 및 종류

 

 

1. 뇌 방전의 특성

1) 뇌운의 형성

불안정하고 다습,온난한 기류는 적란운의 생성을 촉진한다. 이 적란운은 매우 광범위하여 수평거리는 약 10Km 반경, 수직거리는 약 15km까지에 걸쳐 발생한다. 적란운의 특성적인 형상은 가끔 뼈의 단면에 비교되는데, 즉, 상하부에 평면형태가 보이는 것이다. 적란운의 고온변화경도(Gradient : 온도는 최상부에서 -65℃까지 하강)는 급속한 상승기류를 생성시키며, 이는 물 입자의 전하대전현상을 야기시킨다.

표준적인 뇌운에서 얼음결정체로 구성되어 있는 상부는 일반적으로 정(+) 전하로 대전되고 물 입자로 된 하부는 부(-)의 전하로 대전된다. 유도작용에 의해 뇌운의 최하부는 반대극성의 전하가 생성된다(즉, 대지부분에 정(+)극성 대전발생) 이렇게 하여 적란운은 거대한 평면구름과 대지로 된 일종의 Capacitor를 구성하게 되고 이의 중심거리는 12km에 이르기도 한다.

지면에서 대기중의 전계는 청명한 기후시에 100V/m 이지만, 대지방전시(뇌격시)에는 대전전하의 극성이 반대로 변하고 절대값은 15~20KV/m에 도달할 수 있다.

 

2) 뇌격의 발생

전기방전의 발달방향(상승 또는 하강)과 대전되는 전하의 극성(정극성 또는 부극성)에 의거하여 구름과 대지간 뇌격은 4종류로 구분된다. 실제로 하강 및 부극성의 뇌격이 훨씬 빈번하게 발생한다. 한국에서는 같은 온도지역 및 평지에서는 이런 경우가 전체 구름과 대지간 방전의 90%정도라고 간주된다.

 

3) 낙뢰의 진행과정

순한 육안관찰로는 뇌격의 서로 다른 각종 형태를 구분할 수 없으며 이의 관찰에는 고성능의 영상촬영장치가 필요하며, 대부분의 뇌격은 다음과 같은 과정으로 진행된다.

1) 첫 번째의 트레이서(Tracer)가 뇌운의 한 지점을 출발하여 약 50,000 Km/sec의 속도로 약 50m 정도의 거리를 급속히 전진하고는 소멸한다.

2)두 번째의 트레이서가 동일지점을 떠나서 이전 것과 동일속도, 동일경로를 따르고, 첫 번째 트레이서의 최종도달지점을 넘어서 동일거리만큼 전진하여 차례로 소멸한다.

 

이 과정은 최종 트레이서의 선구가 대지로부터 수십m 또는 수m의 지점에 도달할 때까지 반복된다. 그후에 상승제트와의 접촉이 이루어지고 대지로부터 뇌운을 향한 회귀성 뇌격이 발생한다. 이것이 주방전이며 주 방전에 의해 이온화된 채널을 통해 파괴되지 않고 통과하는 2차 전하군이 뒤따르게 된다.

 

4) 평균적인 부극성(-)의 뇌격에서 최대전류는 25KA에 근접한다.

 

2. 뇌 방전의 종류

반응형

① 부극성의 하강방전

② 정극성의 상승방전

③ 정극성의 하강방전

④ 부극성의 상승방전

뇌 방전은 뇌운과 대지간의 최초리터의 방향과 극성에 의해서 분류된다. 부(-)극성의 하강리더는 전체 뇌 방전의 90% 이고 정(+)극성의 방전은 산악지대에서 자주 발생한다.

뇌 방전은 각종 전류의 조합으로 구성되고 그 크기는 시간과 더불어 변화한다. 많은 관측결과를 집약해 보면 뇌 방전의 발생확률에 의거 다음 표와 같이 요약된다.

평균적인 뇌 방전은 파고치가 약 25KA, 입상시간 2㎲, 전하량 10C 이다.

 

[표] 뇌 방전의 정수(Parameter) 부극성의 하강방전

 

3. 뇌 방전의 Mechanism

1) 방전 메카니즘

뇌운과 대지간 방전의 제1단계는 구름으로부터 대지로 향한 약 100m의 계단형으로 전파되는 계단형 선구(Stepped Leader)이다. 계속되는 2개의 계단(Step)의 사이에 10~100㎲의 휴지시간이 있고 분기형태가 발생한다

리터, 채널의 선단이 대지에 접근하게 되면 일반적으로 대지의 돌출부분(수목,피뢰침 등)으로부터 상승리더가 발생하고 하강리더가 상승리더의 하나에 도달하게 된다. 여기서 구름과 대지간에 전리된 채널이 가능하게 된다. 이것이 대전류를 흘리는 단락통로가 된다.

여기서 우리는 대지와 구름과의 사이에 귀환뇌격이라 부르는 강렬한 뇌섬광을 볼수가 있다. 뇌방전은 일반적으로 동일한 채널을 통한 수회의 귀환뇌격에 의거하여 발생한다. 전체 뇌방전은 0.2~1초간이고 평균 1회의 귀환뇌격이 계속 발생한다.

 

4. 계절별 뇌일수, 위치별 뇌 발생률

[표] 계절별 뇌일수

 

 

[표] 위치별 뇌 발생율