지구와 전이층간의 전하의 순환

1.  정상(正常)시의 대기 전계

지표 대기 전계는 구름, 강우, 강풍 등 기상상태에 따라 진폭이 큰 정부(正負)의 변화를 하지만 하늘이 맑고 바람이 없을 때에는 연직하향 방향으로 약 100V/m를 중심으로 일정한 변화 패턴을 나타낸다. 지구를 둘러싼 전이층은 정(正 )에 대전하고 지표에는 여기에 대응한 부(負 )의 전하가 유도되어 이 전하분포가 정상시의 대기 전계를 형성한다.

정상시의 대기 전계는 일정한 일변화를 나타내고 그 변화 패턴은 육상형과 해양형으로 크게 나눈다. 육상형은 지방시(地方時)에 의존하여 그림 1에서와 같이 오전과 오후에 극대값이 나타나는 두 개의 산모양의 패턴이 된다.

이것에 대해 해양형의 대기 전계는 세계시(世界時 : UT)에 의존하여 03:00 UT경에 최소, 19:00 UT경에 최대가 되는 한 개의 산모양의 패턴이 된다. 해양형 정상시 전계는 내륙에서 떨어져 분진 등이 포함된 육상대기의 영향을 받지 않는 해양상에서 관측된다.

그림 2(a)는 관측선 카네기호에 의한 전 해양상에서의 관측 평균 커브 및 관측선 모드호에 의한 북극해에서의 관측 평균 커브를 나타낸다.

그림 1  교토시의 정상시 전계의 일변화

그림 2 (b)는 같은 UT 시간축으로 전세계에서 뇌운이 차지하는 합계면적을 나타낸다. 뇌운의 면적은 뇌명이 들리는 면적(뇌명가청면적)으로 나타낼 수 있다. 그림 (b)와 같이 아시아․오스트레일리아, 구미․아프리카, 남북 아메리카 각각의 뇌명가청면적의 일변화를 합성함으로써 전세계의 뇌명가청면적의 일변화를 얻을 수 있다. 그림 (a), (b)를 비교하면 해양형 정상시 전계와 지구 전체 표면의 뇌명가청면적은 03:00 UT경에 최소값, 19:00 UT경에 최대값이라는 공통된 일변화 패턴을 가진다는 것을 알 수 있다.

해양형 정상시 전계가 관측된 해역에서는 대기 중에 유효한 공간 전하가 존재하지 않기 때문에 지표 전계는 전이층의 전하분포로 결정된다. 전이층은 정(正)전하가 많기 때문에 지구에 대해 정(正)전위가 되고 그 값은 300㎸로 추정되고 있다. 그림 (a), (b)는 전이층 전위가 300㎸를 중심으로 변화하여 전세계의 뇌명가청면적의 일변화에 거의 평행한다는 것을 나타내고 있다.

그림 2  (a) 해양형의 정상시 전계의 일변화

(b) 전세계의 뇌명가청면적의 일변화

2.  공지(空地)전류

지구의 주위에는 연직방향으로 대기 전계 E[V/m]가 있고 또 대기는 아주 조금이지만 0은 아닌 도전율 λ[S/m]를 가지고 있으므로 대기 중에는 i=λE[A/㎡]로 얻어지는 전도전류가 흐른다. 이것을 공지전류라고 부른다. 공지전류는 전계의 방향으로 흐르며 전계에 수직인 1㎡ 당 전류로 나타나고 단위는 A/㎡이다.

그림 3은 정상시의 모든 대기 전기 요소의 고도분포를 나타낸다. 고도가 증가함에 따라 도전율은 증가하지만 전계는 감소하기 때문에 공지전류(도전률 x 전계)는 일정값을 얻고, 이 값은 지표에서 전이층 하면까지 유지된다. 정상시 해양상에서는 전이층에서 지표까지 연속해서 공지전류가 흘러 정(正)전하가 지구를 향해 유입된다. 구름 특히 강수운, 뇌운 중에는 높은 밀도의 공간전하가 분포하는데 그 중에 전계분포는 굉장히 복잡하다. 이에 대응해서 공지전류의 분포도 복잡해져 오히려 강수분자가 움직이는 전하의 이동, 지표의 첨단 코로나 방전으로 발생하는 전하의 이동, 낙뢰에 의한 뇌운 전하의 대지로의 유입 등이 일어나 대기 중의 전하 이동은 매우 복잡한 양상을 띤다.

정상시 해양상의 공지전류는 극히 미약하지만 오늘날의 기술로 직접 측정이 가능하다. 지표에 절연한 수평 금속평판을 설치, 유입하는 전류를 측정하여 그 값을 평판면적으로 나누면 된다. 또 대기의 도전율과 대기전계를 개별로 측정하여 그 크기를 구하는 간접법에 의해서도 알 수 있다.

세계 각지에서 많은 연구자들에 의해 직접법 또는 간접법에 의해 정상시의 공지전류가 구해져, 그 범위는 1.0x10-12A/㎡∼4.0x10-12A/㎡, 평균값은 2x10-12A/㎡ 라는 결과가 얻어지고 있다.

그림 3  정상시 해양상의 대기 전기 요소의 고도분포

왼쪽부터 전계, 공지전류, 도전율

3.  지구와 전이층이 형성하는 구각 콘덴서

지표의 정상시 전계의 대표값은 100V/m이므로 지표면의 전하 밀도는 전자기학의 공식에서 8.85x10-10C/㎡이 되고 지표의 전체 전하는 여기에 지구의 표면적 5.1x1014㎡를 곱해 4.5x105C 이 된다. 전이층은 지구를 둘러싸고 지구표면과 전이층 하면은 구각 콘덴서를 형성하고 있다. 이 구각 콘덴서는 전이층 하면이 정(正)으로, 지구표면이 부(負)로 충전되고 있고 충전전하는 4.5x105C 이다. 양극간의 전위차는 300㎸(3x105V)로 추정되고 있기 때문에 전자기학의 공식에 따라 이 구곡 콘덴서의 정전용량은 (4.5x105C)x(3x105V)=1.5F로 추정된다.

이 콘덴서의 특징은 전극간을 충족시키는 매질이 도전율 0이 아니고 아주 적지만 유한값을 가져, 2절에서 설명했던 공지전류가 흐르고 있는 것이다. 공지전류는 평균값이 2x10-12A/㎡ 이므로 지구 전체 표면에 유입되는 전류는 평균값이 2x10-12A/㎡x5.1x1014㎡=1.02x103A가 된다. 이 전류는 충전전하를 감소시키는 누설전류이므로 충전전하는 시간과 함께 감소하고 전극간의 전위차도 감소해 약 5분 동안 전하, 전위차는 3분의 1로 감소하는 것이다. 그렇지만 대기 전계의 관측이 시작된 이래, 해양형의 정상시 전계는 평균값 100V/m를 유지, 전이층 전위는 평균값 300㎸로 유지되고 있다. 따라서 지구․전이층 간에는 이 누설전류에 결항하는 충전전류를 흘려 구곡 콘덴서의 충전전하를 평균 4.5x105C 으로 유지하는 발전(發電)작용이 존재해야 한다. 다음 절에서 설명하듯이 지구 전체 표면에서 움직이는 뇌운의 전하 분리작용이 이 발전작용을 다하고 있다.

4.  지구전하의 보관 유지 (Global circuit)

맑은 하늘, 바람이 없는 정상상태에는 지표의 부(負)전하를 감소시키는 공지전류가 유입하는 것을 설명했지만, 지표가 뇌운이나 강수운에 가려질 때 즉 기상 변화가 급변하는 요란시에는 지표전계는 정(正) 또는 부(負)의 1,000V/m이상이 되어 지표면의 돌기물 첨단에는 첨단 코로나 방전이 발생하고 지표에는 코로나 전류가 유입 또는 유출된다. 강수가 일어나면 대전한 강수분자가 차감 정(正) 또는 부(負)의 전하를 지표로 가져온다. 또 뇌운이 활동하면 낙뢰에 의해 다량의 전하가 지표로 운반된다. 다수의 과학자가 이들 전하 이동에 의한 지표전하의 연간 밸런스 쉬트를 구하고 있다. 그 결과를 종합하면 공지전류, 강수전류는 지표의 부(負)전하를 감소시키고 첨단 코로나 전류 및 낙뢰전류는 지표의 부(負)전하를 증대하는 방향이 되고 있다.

뇌운은 첨단 코로나 전류, 강수전류, 낙뢰전류에 의해 지표면의 부(負)전하의 증대에 가장 큰 공헌을 하고 있다.

1950년 Gish와 Wait (O.H Gish and G.R wait)는 항공기로 뇌운의 상방(上方)을 수평 비행하여 대기 전계와 도전율의 동시측정을 시행했다. 결과를 그림 4에 나타냈다. 측정된 대기 전계(A)의 수평분포는 고도 6㎞와 3㎞로 각각 정부(正負) 39C의 점전하를 둔 전하분포 모델(B)로 설명할 수 있다. 대기 전계와 도전율에서 전도전류를 계산하면 1개의 뇌운에서 약 0.5A의 전류가 대기 상방으로 흘러 전이층에 공급되는 것이 판명됐다. 이 결과에 의하면 전 지구상에 2,000개의 뇌운이 활동하면 1.02x103A로 추정되는 누설전류를 완전히 보상하는 충전전류가 흐르게 된다.

그림 4  뇌운 상방을 수평 비행하여 측정한 전계(A)와 대응하는 모델 뇌운에 의한 전계(B)

전세계의 뇌운수는 전세계의 뇌명가청면적에 비례하므로 그림 2(b)와 같이 03:00 UT경에 최소값, 19:00 UT경에 최대값을 갖는 일변화를 하고 있다. 전세계의 뇌운수가 2,000개를 초과하면 충전전류가 누설전류를 상회하여 전이층 전위는 상승한다. 반대로 2,000개보다 감소하면 충전전류가 누설전류를 하회하여 전이층 전위는 하강한다. 정상시 전계가 해양형 으로 일변화하는 해역에서는 전이층 전위 변화가 그대로 지표 전계변화로 관측되어 그림 2(a)의 관측결과가 된다.

결국 지구 전체 표면의 뇌운의 전하 분리작용이 지구 전체 표면의 정상역의 공지전류를 상쇄해 전이층 전위를 유지하고 평균 300㎸로 추정되는 전이층 전위를 보관 유지한다.

그림 2(b)에 나타낸 전세계의 뇌명가청면적의 일변화 곡선은 1936년에 정리된 개략값이지만, 최근 기상위성에 탑재된 전광센서의 기록결과에 의해 그 정당성이 확인되고 있다. 또 뇌운에서 분리된 정(正)전하의 전이층으로의 이동은 오히려 전도전류 때문이라고 생각됐지만 낙뢰에 따라서는 뇌운상층의 성층권, 중간권에서 블루 제트 또는 레드 스프라이트라고 불리는 방전을 동반하는 것이 있어 이 방전전류도 정(正)전하의 전이층으로의 이동에 기여하는 것으로 판명됐다.

지구와 전이층간의 전하 순환은 글로벌 서킷(Global circuit)이라 부른다. 그림 5는 이 전하의 환류를 모식적으로 나타낸다. 1981년 오가와 토시오는 지구표면과 지구를 둘러싼 자기권을 포함한 공간에 전자기학의 기초방정식을 적용해 전류분포의 수치 모델을 작성, Global circuit에 있어서의 전하 순환을 정량적으로 나타냈다.

그림 5  지구와 전이층간의 전하 순환 모델 그림(Global circuit)