(a) 구름 안과 구름 사이의 뇌               (b) 우주로 향하는 뇌

그림 6  뇌의 발생 장소

이러한 상황에서 구름 내에서 상부층의 정전기와 하부층의 부전기 사이에서 생기는 방전이 운간 방전이라고 불리는 것이다. 또한 뇌운이 비교적 가까이서 여러번 발생하여 떠있는 경우에는 뇌운 간에 있어서도 다른 전하층간에 방전이 생기는 것이 있다.

그러나 이들의 뇌는 지상에서는 그 자세한 모양은 모르지만, 아득히 멀리서 뇌 울림만이 들리는 경우에 일어나고 있는 것 같다.

초고층 대기중

뇌는 뇌운을 중심으로하여 발생하는 것으로 알려져 있지만, 우주로 향하는 경우도 있다.

이들은 지상의 고도에 따라 이름이 붙여져 있고 「역번개」라고 불리는 것도 있다(그림 6 (b) 참조).

고도 약 40㎞이하의 장소에서 생기며 우주로 향해 발생하는 뇌를 블루제트라고 부르지만 비교적 드물게 밖에 관측되지 않는 것 같다. 블루제트는 이름처럼 대기를 통과하기 어려운 진한 블루의 빛을 방출하는 것이 관측되고 있다.

최초의 관측은 1994년이며, 미국의 아칸소 주에서 강한 뇌운이 상공을 비행하는 항공기로부터 미묘한 둥근 송곳 상태의 블루 빛을 촬영하는데 성공했다는 보고가 있다. 단, 이 발생 메커니즘에 대해서는 아직 모르고 있다.

한편 뇌운의 상공, 고도 약 90㎞의 초고층이라 불리는 희박한 대기의 영역에서 끊이지 않고 방전이 일어나고 있는 것이 관측되고 있다. 이때 종 방향으로 발생하는 붉은 색을 띠는 뇌는 스프라이터라고 불리고 있다. 또한 그 주변에서 팬 케익 모양의 파란 색을 띤 발광을 하는 방전을 엘브스라고 부른다. 스프라이트나 엘브스라는 이름은 둘 다 요정을 의미하는 영어명이다.

최초의 관측은 1990년에 미국의 미네소타 대학의 연구그룹이 시행했다. 발생 메카니즘에 대해서는  상층의 전이층과의 사이에서 방전이 촉진된 결과가 아닐까라는 추측은 있지만 왜 방전하기 쉬운 대지가 아니라 전이층으로 향하는가에 대해서 확실시 된 것은 알려져 있지 않다.

1-3. 에너지의 크기는

에너지란 무엇인가

인기 있는 축구나 야구 등을 비롯해서 스포츠 전반의 세계에서 자주 듣는 단어로 「민첩성」, 「순발력」, 「운동량」풍부, 「스태미너」의 승부, 「지구력」등이 있다. 이들 단어는 일상회화에서도 흔히 많이 쓰고 있다.

이들 단어의 의미는 「순발력」과 「지구력」 두개로 묶인다. 그러나 「에너지」라는 단어를 위의 단어에 맞추려 하면 틀리지는 않지만, 뭔가 하나 모자란 듯 하고 약간 부족한 것 같다. 그러나 모두 「에너지」와 관계된 단어라고 생각된다. 이처럼 「에너지」란 좀처럼 확실하게 표현하기 어려운 것이지만, 앞에서 말한 단어와 같은 의미인지 도대체 무엇을 나타내는 것인지를 조금 정리해 보자.

일반적으로 「에너지가 있다.」는 상대(여러 상태에 있는 물질 : 액체, 고체, 기체, 프라즈마)에 대해 일을 하는 능력이 있음을 의미한다. 예를 들면, 물체를 어느 거리만큼 움직일 때 (물체에 계속 더한 힘) x (움직인 거리)의 양을 이용하여 「일의 양」을 나타낼 수가 있다. 이 일의 양이란, 실은 에너지를 말한다. 에너지란 단순히 힘뿐만 아니라 어느 거리를 진행하는 사이, 그 힘을 계속 내고 있다는 것을 의미한다.

에너지의 무리로는 이 힘에 관한 것부터 열, 빛, 소리, 전기, 원자력 등 여러 가지 종류가 있지만, 이들은 서로 보이는 모습을 변화시킬 수가 있기 때문에 본질적으로는 같은 것이라고 생각된다. 예를 들면, 달리고 있는 차가 급브레이크를 걸면 엄청난 소리와 함께 타이어가 도로와의 마찰열에 의해 가열되면서 차는 멈춘다. 이럴 경우 에너지는 힘으로부터 소리나 열로 그 겉모습이 바뀌어 가지만, 에너지의 량 그 자체는 전체로써는 변하지 않는다. 에너지가 아무리 겉모습을 바꾸어도 하나의 묶임이 있는 세계에서는 전체의 에너지량은 늘었다 줄었다 하지 않는다. 이것은 「에너지 보존의 법칙」이라고 불리고 있다.

미국의 과학자 플랭클린의 연실의 실험에 의해 뇌는 전기현상임이 증명되고 있지만, 전기현상의 발단이 되는 전기 에너지에 대해서도 완전히 같은 것이라고 말할 수 있다. 즉, 지상에서 발생한 전기가 공기 중을 경유하여 구름 속에 축적되어 소리나 빛 또는 열을 동반하면서 전기가 다시 지상으로 되돌아오는 것도 같은 량의 에너지가 겉모습을 바꿔서 대지와 구름 사이를 순환하고 있는 것에 불과하다.

전기의 에너지에 관련된 단어로써 「전력」이 쓰여지고 있다. 이것은 1초동안 사용하거나 만들어 내거나 하는 전기에너지를 말하며, 단위는 와트로 표시한다. 전력은 직류인 경우는 (전압) x (전류)의 양에 해당하지만, 교류인 경우는 (전압) x (전류) x (효율)의 양을 사용한다. 교류인 경우는 전압과 전류 사이에 시간적인 늦음이 생기는 경우가 있으므로 그 늦음에 의한 영향을 효율로 포함해야 한다. 전력은 전기에너지의 「순발력」에 해당하지만, 이것은 나중에 말할 뇌전기가 대표적인 예이다.

한편, 전력을 어느 시간동안 계속 사용하거나, 계속 만들어 내거나 하면 그 시간으로 합한 양은 「전력량」이라 불리고 단위는 와트 시(時)로 나타낸다. 전력량은 가정에서 이용하고 있는 전력회사의 전력계 미터에 이 단위가 붙어 있다. 검침 결과 수치는 한달에 사용한 전력량을 나타내고 있다. 전달의 전기사용량이 많았다 등으로 말하지만, 정확히는 전력량을 나타내고 있는 것이다. 전력량은 전기의 에너지량을 말하는 것으로 앞의 예에 나온 「지구력」 에 해당한다. 이 경우는 일정한 전력을 오랜 시간 계속 내는 능력을 의미하고 있고, 건전지 등에 필요하다. 그 때문에 건전지 광고에서는 전지의 수명 길이(=지구력)를 강조하고 있다.

뇌의 에너지

낙뢰는 심한 소리나 빛 등에 의해 대지에 전기 에너지를 방출하는 현상이다. 뇌에서 나오는 전기 에너지는 어느 정도일까

낙뢰에 의해 대지에 흐르는 전류는 굉장히 짧은 시간밖에 흐르지 않는다. 그 모양은 그림 7 (a)과 같이 크게 두가지의 시간영역으로 나뉘고 있다. 최초의 전류가 최고점까지 도달하는 시간을 「파두장」 이라고 하며, 약 100만분의 1초의 시간이다.

(a) 뇌전류 파형                              (b) 뇌전력

그림 7  뇌의 에너지

전류의 첫 동작부터 파두장에서의 전류값이 반이 될 때까지의 시간을 「파미장」이라고 하며 약 100만분의 40초간 계속된다. 뇌전류 전체에서도 100만분의 80초 정도로 굉장히 짧은 시간의 현상이다. 따라서 이 굉장히 짧은 시간 내에 뇌의 전기 에너지 모두가 방출되기 때문에 「순발력」이 매우 크다고 할 수 있다.

전류는 (어느 장소에 흐르는 전기의 양=전하량)을 (흐를 때 필요한 시간)으로 나눈 양으로 나타내며, 단위는 암페어를 사용한다. 또 전하량의 단위는 쿠울롬(Coulomb)으로 나타낸다. 뇌전류인 경우 최고값은 100㎄ 정도이다. 이것으로 전하량을 역산해 보면 약 8쿠울롬이 된다.

뇌운과 대지 사이의 전압은 뇌운 전체의 형상, 내장되어 있는 총전하량, 그 영역과 대지까지의 높이, 대기의 제반 조건 등을 정확히 알면 계산할 수 있을 것 같지만, 실제로는 뇌운이나 대기의 제반 조건이 시시각각으로 변화하기 때문에 상당히 곤란하다. 간단하게는 1기압의 공기 중에서 1m의 거리를 전기가 흐르는데 약 300㎸를 필요로 하기 때문에 뇌운의 높이(h)를 알려면 300 x h로 뇌운과 대지 사이의 전압이 구해진다. 그러나 많은 연구에 의한 예측으로는 그 관계식보다 10분의 1 정도 작은 값인 약 1억V로 되어 있다.

뇌 에너지에 대해서 전력과 전력량 양쪽을 구해보자. 여기에서 만약 직류전력이라고 단순히 생각하면 전압과 전류의 곱으로 구해진다.

낙뢰전력의 한 예로써 전류를 100㎄, 뇌운전압을 1억V로 구해보면

(100㎄ x 1억V) = 100억㎾

의 거대한 값이 된다. 한편, 전력량은 1회 낙뢰시간을 80㎲로 하면

(100㎄ x 1억V x 80㎲ ) = 약 222㎾시

가 된다.

뇌의 능력은

뇌의 전기 에너지가 어느 정도의 능력을 갖고 있는가는 일상적인 예로 바꿔놓으면 잘 알 수 있을 것이다.

1회의 낙뢰에 의한 전력은 위의 예에서는 100억㎾로 거대하지만, 뇌가 폭발적인 「순발력」을 갖는 것을 증명하고 있다. 그러나 뇌 에너지의 지속시간은 굉장히 짧고 그 평균전력량을 구해보면 300㎾시 정도가 된다. 이 전력량을 조명에 사용하려면 프로야구 야간경기의 20분간에 해당하고, 가정에서 사용하면 2개월분이 된다.

여름의 심한 뇌운은 10초에 1회 정도의 비율로 일어나므로, 이 때의 뇌운 속은 중간 규모 발전소의 발전능력을 가지게 된다. 또 겨울의 뇌를 로켓트로 유도하여 낙뢰에의한  전력량을 얻어내는데 성공하여 35리터의 물을 온수로 만들 수 있었다라는 보고도 있다.