뇌운파의 발생

뇌운류가 대기중을 달릴 때 소리나 빛 그 밖의 강력한 전파를 발산한다. 뇌운이 발생하고 있을 때나 낙뢰가 일어나고 있을 때 라디오를 듣고 있으면 「지직 지직」거리는 소리가 들려오는 일이 있다. 이것은 뇌운이나 번개로부터의 전파를 수신하고 있다는 것을 나타내고 있다.

전자가 무엇과도 부딪치지 않고 고속으로 달릴 때, 전자가 지나간 흔적 주위에는 전기와 자기로 가득찬 「전자계」라는 공간이 생긴다. 그것들은 전계(물리학에서는 전장) 및 자계(물리학에서는 자장)라고 불리는 두 종류의 공간으로 만들어져 각각 전기와 자기의 에너지가 저장된 상태를 의미한다.

전선 안을 전자가 고속으로 흐를 때에도 같은 일이 일어나지만, 이 경우 전자가 달리는 방향에 대한 수직방향의 거리(r)에 대응하여 그림 10에 나타냈듯이 3종류의 전자계로 구별되고 있다. 첫째는 r3분의 1 비율로 진폭이 작아지는 경우로 정전계라고 불리고 있다. 다음으로 r2분의 1 비율로 진폭이 작아지는 경우로 유도전자계라고 불리고 있다. 마지막으로 r분의 1 비율로 진폭이 작아지는 경우로 방사전자계라고 불리고 있다.

그림 10  세 종류의 전자계

마지막의 방사전자계가 전파라고 불리는 것이다. 전파는 3종류의 전자계 중에서도 가장 멀리까지 전달되기 때문에 번개의 관측에는 자주 사용되고 있다.

전파의 존재는 「㎐의 실험」에 의해 우연히 발견되었다. 시간적으로 크기가 변화하지 않고 이른바 직류전압과 전자석(코일을 둘러서 전류를 흘리면 자석이 되는 것)을 사용하여 연속적인 전압을 더해 두 개의 금속구 사이에서 방전실험을 시행하였다. 금속구를 접근시키면 공기중을 연속적으로 전기가 달리는 동시에 불꽃이 연속적으로 나온다. 이 때 옆에 놓여있던 코일에 접근했던 선의 양끝에서도 불꽃이 연속적으로 일어났다.

금속구 사이의 공기 중에 연속적인 전기, 특히 전자가 달리는 것에 의해 주변에 연속적인 전자계가 발생한다. 이 연속적인 전자계가 가까이 있던 코일에 붙들려 전압이 유도되어 코일선의 양끝 전압이 공기를 뚫는 전압보다도 크기 때문에 결과로써 연속적인 전기가 흘러 불꽃이 생겼다고 설명된다.  여기에서 중요한 것은 공기 중을 멀리 떨어진 장소에 전자계를 전달하기 위해서는 공기 중에 연속적인 전기의 변화를 주지 않으면 안된다. 즉, 시간적으로 변화하는 전류를 도선으로 흘림으로써 멀리 전달하는 전자계, 다시 말하면 전계가 발생한다는 것이다.

이 근처에 놓여있던 코일이 지금의 안테나 역할을 하고 있는 것이다. 안테나는 어느 방향에서 오는 전파만을 예리하게 받아들이거나 여러 방향에서 오는 전파를 받아들이는 것까지, 각각 지향성 안테나, 무지향성 안테나라고 불리고 있다. 전파는 여러 방향으로 오기 때문에 뇌의 관측에는 일반적으로 무지향성 안테나가 필요하게 된다. 뇌의 발생원을 지정하기 위해서는 3개소에 동일한 안테나를 설치하여 서로 전파의 시간적인 늦음을 이용한다.

보는 방향을 바꾸면 번개 자신에 거대한 전류가 흐르고 있기 때문에 번개는 전파를 발사하는 거대한 안테나라고 생각할 수 있다. 번개 내부에는 거대한 전류가 한순간 흐르기 때문에 굉장히 큰 전파가 대기 중의 모든 방향으로 발생되고 있다고 생각된다. 이렇게 하여 발생한 전파는 「뇌전파」라고 불리고 있다.

뇌전파가 전달될 경우 전이층과 대지에 끼인 공기층은 공명상으로 움직이지만, 지구의 안쪽까지 도달할 수 있다. 이 때 뇌전파에 의해 공기가 진동하는 것을 「슈만 공진」이라고 부른다. 공진이란 여러 주파수의 파가 더해지면 공명상 내에서 공명상의 크기와 속의 분자 무게로 정하는 주파수, 즉 공진 주파수의 파만 살아남아 다른 주파수의 파는 없어지는 현상이다.

대기의 슈만 공진 주파수의 기본파인 이론적 주파수는 10.6㎐로 유도되고 있지만, 관측에 의하면 기본파의 공진 주파수는 8㎐이다. 이 차이는 전이층이나 지표에서의 반사에 의한 영향으로 전파의 주파수가 저하되고 있는 것이 원인이라고 생각된다. 뇌가 발생하면 뇌전파중 아까 정도의 주파수에 일치하는 전파는 강해져서 보다 멀리까지 도달하게 된다.

이 슈만 공진 주파수를 사용하면 지구의 온난화를 감시할 수가 있다. 즉 지구전체의 평균온도가 0.1℃ 상승하면 뇌의 발생회수가 지수 함수적으로 증가한다. 이 성질을 이용하면 뇌의 발생회수가 많아지면 슈만 공진의 전파강도가 높아짐이 예측되어 슈만 주파수대의 뇌전파 강도를 감시하는 것으로 지구의 온난화 경향을 감시할 수 있게 된다.

또 하나, 뇌의 발생을 전하는 파가 있다. 그것은 지구의 자력선에 따라 전해지는 전파로 「휘슬러 파」라고 부른다. 휘슬러는 휘파람이나 휫슬을 불 때 「후-」라는 소리를 이미지화한 이름으로 1953년에 영국의 스토레이 박사에 의해 그 성질이 규명 되었다.

지구의 자력선은 0.05～0.08mT(미리테스라) 정도지만, 남극에서 북극으로 향해 지구 전체를 둘러싸고 있다. 태양풍에 의해 초고속 에너지 입자군이 끊임없이 지구로 내리고 있기 때문에 이 자력에 의해 인간을 포함한 생태계로의 피해를 막고 있다.

뇌가 발생하면 일부는 앞서 말한 슈만 전파가 되어 대기중으로 전해 지구의 안쪽까지 도달하지만, 휘슬러 전파는 더욱이 상공을 지향해 가고, 전이층을 뚫고 지구의 자력선 레일를 타고 지구 반대측의 반구까지 전해진다. 예를 들면, 일본에서 뇌전파가 발생하면 뉴질랜드 정도의 위도인 경우 장소에 도달하는 것 같다.

뇌서지

뇌가 발생하여 뇌운과 대지 사이가 번개로 연결되면, 대지 측에 중대한 장해가 발생한다. 하나는 낙뢰에 의해 생긴 고전압 펄스(굉장히 짧은 시간에만 전기신호가 발생하고 있는 상태)가 전기설비 등의 절연파괴를 일으키는 문제와 또 하나는 고전압 펄스가 통신 전송 신호의 잡음원이 되는 문제이다. 번개가 대지로 접촉하여 생기는 고전압 펄스를 「뇌서지」라고 부른다. 이 뇌서지는 직격뢰 서지와 유도뢰 서지로 나눌 수 있다.

직격뢰 서지는 전력설비나 전기기기에 직접 뇌가 떨어져 직접뇌 방전을 받는 경우를 말한다. 이 경우는 낙뢰에 의해 거의 부분적 또는 전체적으로 파괴되기 때문에 유효한 수단이 없는 것이 현상이다. 특히 보호가 필요한 것은 고전압 송전선, 무선중계소 및 고층화한 빌딩 등이 대상이 된다. 통상 대지표면의 거리에 대한 전압변화의 비율(전계)은 맑은 날씨인 경우는 100V/m정도이지만, 뇌운이 생기면 그 아래 부근에서는 5㎸/m가 되고, 또 직격뢰가 발생할 때는 50㎸/m정도까지도 도달한다.

(a) 구조물로의 낙뢰                             (b) 뇌운간의 뇌

그림 11  유도뢰 서지

유도뢰 서지는 크게 나누어 2가지가 있다. 하나는 구조물 등으로의 직격뢰가 원인이라고 생각된다. 나무나 빌딩 등의 비교적 높은 건물에 낙뢰하여 직격뢰 전류가 흘러 주위에 강한 전자계가 생기고 전자유도작용에 의해 부근의 전력 송전선이나 통신선에 서지전압이 발생한다.

또 하나는 뇌운 사이에서의 방전에 의해 일어나는 경우이다. 상공에 두 개의 뇌운이 접근하여 떠 있는 경우, 정전기와 부전기층에서 방전을 일으키면 뇌운파가 발생하여 전력선이나 통신선상에 고여 있던 전하의 리듬을 파괴한다. 그 결과 전하가 선의 양방향에 서지로서 흘러나오게 된다.(그림 11 참조)