대기전기학
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1. 개요
대기전기학은 대기 중의 전기 현상을 연구하는 학문이다. 고대부터 번개와 같은 현상에 대한 관찰이 있었으며, 17~18세기에는 실험적 연구가 활발해졌다. 벤자민 프랭클린의 연 실험을 통해 번개가 전기 현상임을 밝혀냈고, 이후 쿨롱, 윌슨 등 여러 과학자들이 연구에 기여했다. 대기 전기는 지구 표면과 전리층 사이의 전위차, 우주 방사선, 뇌우, 번개, 세인트 엘모의 불, 슈만 공명 등 다양한 현상과 관련이 있다. 현대에는 낙뢰 보호 및 전력 시스템 접지 등 실생활에도 적용되며, 전리층 연구에도 활용된다.
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| 대기전기학 | |
|---|---|
| 대기 전기 현상 | |
| 설명 | 대기의 전기적 특성과 관련된 다양한 현상을 연구하는 학문 분야이다. |
| 관련 현상 | 천둥 번개 오로라 코로나 방전 엘모의 불 |
| 주요 내용 | |
| 대기 전장 | 지구 표면과 전리층 사이의 전위차로 인해 발생하는 전기장이다. 맑은 날씨에도 존재하며, 전하의 이동에 영향을 준다. |
| 대기 이온 | 대기 중에 존재하는 전하를 띤 입자이다. 대기의 전기적 특성에 중요한 역할을 하며, 전하의 이동과 전기 현상에 기여한다. |
| 에어로졸 | 대기 중에 떠다니는 액체 또는 고체 입자이다. 대기 전기 현상에 영향을 미치며, 구름 형성 및 강수 과정에 관여한다. |
| 전하 생성 메커니즘 | 대전 현상 우박 간의 충돌 등 다양한 과정을 통해 대기 중에서 전하가 생성된다. |
| 뇌우 | 대기 전기 현상의 가장 강력한 형태로, 번개와 천둥을 동반한다. 뇌우 발생 메커니즘 및 번개 방전 과정은 대기 전기 연구의 중요한 주제이다. |
| 번개 | 구름과 구름 사이, 구름과 지표면 사이에서 발생하는 대규모 방전 현상이다. 번개 방전 과정과 그 영향은 대기 전기 연구의 중요한 부분이다. |
| 지구 회로 | 지구 전체를 하나의 거대한 전기 회로로 보는 개념이다. 대기 전기 현상과 지구 자기장 간의 상호 작용을 이해하는 데 도움을 준다. |
| 연구 분야 | |
| 대기 전기학 | 대기 중에서 일어나는 다양한 전기적 현상을 연구하는 학문이다. |
| 구름 물리학 | 구름의 형성, 성장, 소멸 과정과 관련된 물리적 현상을 연구하는 분야이다. 대기 전기 현상과 밀접한 관련이 있다. |
| 기상학 | 대기의 상태와 변화를 연구하는 학문이다. 대기 전기 현상이 기상 현상에 미치는 영향을 연구한다. |
| 지구물리학 | 지구의 물리적 현상을 연구하는 학문이다. 지구 자기장과 대기 전기 현상 간의 상호 작용을 연구한다. |
| 응용 분야 | |
| 낙뢰 보호 시스템 | 번개로 인한 피해를 줄이기 위한 시스템이다. 대기 전기 연구를 통해 개발된다. |
| 항공 안전 | 항공기의 안전 운항을 위한 연구 분야이다. 뇌우 및 번개로 인한 위험을 예측하고 대비하는 데 대기 전기 연구가 활용된다. |
| 기상 예측 | 대기 전기 현상 관측 자료를 활용하여 기상 상태를 예측한다. |
| 환경 모니터링 | 대기 오염 물질의 분포 및 이동을 파악하는 데 대기 전기 현상 연구가 활용된다. |
| 역사 | |
| 초기 연구 | 벤자민 프랭클린의 연 실험은 대기 전기 연구의 시초로 여겨진다. |
| 현대 연구 | 인공위성, 레이더 등 첨단 장비를 이용하여 대기 전기 현상을 관측하고 연구한다. |
2. 역사
전기 불꽃과 라이덴 병 등 초기 전기 기계에서 발생하는 현상은 프랜시스 혹스비, 아이작 뉴턴, 윌리엄 월, 놀레, 스티븐 그레이와 같은 초기 연구자들에게 번개가 전기적인 방전 현상일 수 있다는 영감을 주었다. 특히 1708년, 윌리엄 월 박사는 대전된 호박 조각에서 나오는 불꽃이 작은 번개와 유사함을 처음으로 지적하며 대기 전기 연구의 시작을 알렸다.
대기 전기 현상 연구에서 벤자민 프랭클린의 실험은 중요한 전환점이 되었다. 프랭클린은 번개와 실험실에서 생성된 전기가 여러 유사점을 공유하며 본질적으로 같은 현상임을 입증하고자 했다. 1752년경 수행된 것으로 알려진 그의 유명한 연 실험은 번개가 전기 현상이라는 가설을 뒷받침하는 중요한 증거를 제시했다. 프랭클린의 아이디어는 토마-프랑수아 달리바르 등에 의해 실험적으로 확인되었으며, 이는 대기 전기 연구를 본격적인 과학의 영역으로 이끌었다.
프랭클린 이후, 많은 과학자들이 대기 전기의 다양한 측면을 탐구하며 지식을 넓혀갔다. 루이 기욤 르모니에는 맑은 날의 대기 전하와 그 하루 동안의 변화를 기록했으며, 조반니 바티스타 베카리아는 맑은 날 대기 전하가 양(+)의 극성을 띤다는 것을 확인했다. 소쉬르는 고도에 따른 대기 전하 변화를 연구했고, 쿨롱은 공기가 전기를 전도할 수 있음을 발견하여 당시 통념에 반하는 것이었다. 파울 에르만과 장 샤를 아타나즈 펠티에는 지구가 음전하를 띠고 있다는 사실을 이론화하고 실험적으로 확인했다.
19세기에는 관측 기술이 발전했다. 프랜시스 로날즈는 전위 기울기와 대기-지구 전류를 지속적으로 자동 기록하는 장치를 개발했으며[7], 큐 천문대에서 포괄적인 데이터 세트를 구축하는 데 기여했다.[8] 켈빈 경은 물방울 수집기와 분할 링 전위계를 개발하여 보다 정밀한 측정을 가능하게 했다.[9] 연이나 열기구 등은 높은 고도의 대기 전기를 측정하기 위한 도구로 활용되었다.
20세기에 들어서면서 엘스터와 가이텔은 대기 방사능을 발견하고 뇌우의 전기 구조에 대한 이론을 제시했으며[11], 포켈스는 번개 전류의 강도를 추정하는 연구를 수행했다.[13] 찰스 톰슨 리스 윌슨은 대기 전하 측정과 지구가 음전하를 유지하는 메커니즘 규명에 중요한 역할을 했다.[14][15] 현대의 대기 전기학 연구는 번개 현상, 특히 고에너지 입자 및 과도 발광 현상 연구와 더불어, 뇌우 외의 전기적 과정이 날씨와 기후에 미치는 영향 등으로 초점이 확장되고 있다.
2. 1. 초기 연구
전기 기계와 라이덴 병에서 발생하는 불꽃은 프랜시스 혹스비, 아이작 뉴턴, 윌리엄 월, 놀레, 스티븐 그레이와 같은 초기 실험자들에게 번개가 전기 방전 현상일 수 있다는 생각을 갖게 했다. 1708년, 윌리엄 월 박사는 대전된 호박 조각에서 나오는 불꽃을 보고, 이것이 작은 번개와 비슷하다고 처음으로 지적한 인물 중 하나였다.벤자민 프랭클린은 여러 실험을 통해 대기에서 일어나는 전기 현상이 실험실에서 인공적으로 만든 전기 현상과 본질적으로 같다는 것을 보여주었다. 그는 전기와 번개 사이에 많은 유사점이 있음을 제시했으며, 1749년에는 번개가 전기 기계에서 관찰되는 거의 모든 특성을 지니고 있음을 확인했다.
1750년 7월, 프랭클린은 뾰족한 끝을 가진 높은 금속 안테나를 세우면 구름으로부터 전기를 모을 수 있을 것이라는 가설을 세웠다. 프랭클린이 직접 실험을 수행하기 전인 1752년, 토마 프랑수아 달리바르는 파리 근교 마를리라빌에 약 12.19m 높이의 철 막대를 설치하여 실제로 지나가는 구름에서 불꽃을 끌어내는 데 성공했다. 이 실험에서는 접지시키고 절연 처리된 안테나를 사용했는데, 손잡이를 왁스로 절연한 접지선을 안테나에 가까이 가져가면 안테나에서 접지선으로 불꽃 방전이 일어나는 것을 관찰할 수 있었다. 1752년 5월, 달리바르는 이 실험을 통해 프랭클린의 이론이 옳다는 것을 증명했다.
1752년 6월경, 프랭클린은 그 유명한 연 실험을 수행한 것으로 알려져 있다. 이 실험은 이후 다른 연구자들에 의해 재현되기도 했다. 로마스는 금속 실을 이용해 약 2.74m 길이의 불꽃을 얻었으며, 티베리우스 카발로 역시 대기 전기에 관한 중요한 관찰들을 다수 수행했다. 르모니에는 1752년에 프랭클린의 안테나 실험을 재현하면서, 접지선 대신 먼지 입자를 사용하여 인력을 시험했다. 그는 더 나아가 맑은 날의 대기 전하 상태(소위 "맑은 날 조건")와 그것이 하루 동안 어떻게 변하는지(일주기 변화)를 기록했다. 1775년 조반니 바티스타 베카리아는 르모니에가 기록한 일주기 변화 데이터를 확인하고, 맑은 날씨에는 대기의 전하가 양(+)의 극성을 띤다는 사실을 밝혀냈다. 소쉬르는 1779년에 대기 중 도체에 유도되는 전하에 대한 데이터를 기록했다. 그가 사용한 기구는 두 개의 작은 구를 가는 선 두 개로 평행하게 매달아 놓은 형태였는데, 이는 전위계의 초기 모델로 볼 수 있다. 소쉬르는 맑은 날의 대기 전하가 연중 변화를 보이며 고도에 따라서도 달라진다는 것을 발견했다. 1785년에는 쿨롱이 공기가 전기를 전도할 수 있다는 사실을 발견했는데, 이는 당시 일반적으로 받아들여지던 생각, 즉 대기 중의 기체는 이온화되지 않는 한 절연체라는 통념에 반하는 것이었다. 파울 에르만은 1804년에 지구가 음(-)전하를 띠고 있다는 이론을 제시했고, 장 샤를 아타나즈 펠티에는 1842년에 실험을 통해 에르만의 이론을 확인했다.
여러 연구자들이 대기 전기 현상에 대한 지식을 넓히는 데 기여했다. 프랜시스 로널즈는 1810년경부터 전위 기울기와 대기-지구 사이의 전류를 관찰하기 시작했으며, 지속적인 자동 기록 장치를 개발하기도 했다.[7][32] 그는 1840년대에 큐 왕립 천문대의 초대 명예 소장으로 임명되어 연구를 재개했고, 이곳에서 전기 및 관련 기상 요소에 대한 최초의 광범위하고 포괄적인 데이터 세트가 구축되었다. 로널즈는 또한 전 세계적인 대기 전기 관측망 구축을 목표로 자신의 장비를 다른 나라의 시설에도 공급했다.[8][33] 켈빈 경이 개발한 새로운 물방울 수집기와 분할 링 전위계[9][34]는 1860년대에 큐 왕립 천문대에 도입되었고, 이후 천문대가 문을 닫을 때까지 대기 전기 연구는 이곳의 주요 전문 분야 중 하나로 남았다. 높은 고도에서의 측정을 위해 초기에는 연이 사용되었으며, 이후 기상 관측용 기구나 열기구 등이 실험 장비를 공중으로 띄우는 데 활용되었다. 초기 실험자 중 일부는 직접 열기구를 타고 하늘로 올라가기도 했다.
H. H. 호퍼트는 1888년에 초기 형태의 카메라를 사용하여 번개가 구름에서 땅으로 떨어지는 개별적인 하향 뇌격(downward stroke)을 식별했다.[10][35] 엘스터와 가이텔은 열전자 방출 연구에 기여했으며, 뇌우의 전기적 구조를 설명하는 이론을 1885년에 제안했다. 이후 1899년에는 대기 중에 양(+) 이온과 음(-)이온이 존재한다는 사실로부터 대기 방사능을 발견했다.[11][36] 포켈스는 1897년부터 현무암에 남은 번개 흔적을 분석하고(1900년경 발표)[12][37], 번개가 만든 잔류 자기장을 연구하여 번개 전류의 세기를 추정했다.[13][38] 고감도 전기 측정 기기를 이용한 대기 전하 발견과 지구가 어떻게 음전하를 계속 유지하는지에 대한 이해는 주로 20세기에 이루어졌으며, 이 과정에서 찰스 톰슨 리스 윌슨이 중요한 역할을 했다.[14][15][39][40]
2. 2. 프랭클린의 실험과 그 이후
전기 기계와 라이덴 병에서 발생하는 불꽃은 혹스비, 뉴턴, 월, 놀레, 그레이와 같은 초기 실험자들에게 번개가 전기 방전에 의해 발생할 수 있다는 생각을 하게 했다. 1708년, 윌리엄 월 박사는 대전된 호박 조각에서 나오는 불꽃을 관찰한 후, 이것이 작은 번개와 유사하다고 처음으로 지적한 인물 중 하나였다.벤자민 프랭클린은 실험을 통해 대기의 전기적 현상이 실험실에서 만들어지는 현상과 근본적으로 다르지 않음을 보여주었다. 그는 전기와 번개 사이의 여러 유사점을 제시했다. 1749년까지 프랭클린은 번개가 전기 기계에서 관찰되는 거의 모든 특성을 가지고 있음을 확인했다.
1750년 7월, 프랭클린은 뾰족한 끝을 가진 높은 금속 안테나를 통해 구름에서 전기를 끌어낼 수 있다는 가설을 세웠다. 프랭클린이 직접 실험을 수행하기 전인 1752년, 토마-프랑수아 달리바르는 파리 근처 마를리-라-빌에 약 12.19m 높이의 철 막대를 세워 지나가는 구름에서 불꽃을 유도하는 데 성공했다. 접지되고 절연된 안테나를 사용하고, 절연된 손잡이가 달린 접지선을 안테나에 가까이 가져가면 안테나에서 접지선으로 불꽃이 방전되는 것을 관찰할 수 있었다. 1752년 5월, 달리바르는 프랭클린의 이론이 옳다는 것을 실험적으로 증명했다.
1752년 6월경, 프랭클린은 그 유명한 연 실험을 수행한 것으로 알려져 있다. 이 실험은 이후 로마스에 의해 재현되었는데, 그는 금속 끈에서 약 2.74m 길이의 불꽃을 얻었다. 티베리우스 카발로 역시 대기 전기에 대한 많은 중요한 관찰을 수행했다. 루이 기욤 르모니에(1752)는 프랭클린의 안테나 실험을 재현하면서, 접지선 대신 먼지 입자를 사용하여 인력을 시험했다. 그는 나아가 맑은 날의 대기 전하(소위 ''맑은 날 조건'')와 그 일주기 변동을 기록했다. 조반니 바티스타 베카리아(1775)는 르모니에의 데이터를 확인하고 맑은 날씨에는 대기의 전하 극성이 양(+)임을 밝혔다. 오라스-베네딕트 드 소쉬르(1779)는 대기 중 도체에 유도되는 전하에 대한 데이터를 기록했으며, 그의 기구(가는 선 두 개에 작은 구 두 개를 매단 형태)는 전위계의 초기 형태였다. 소쉬르는 맑은 날씨의 대기 전하가 연중 변화하며 고도에 따라서도 달라진다는 것을 발견했다. 1785년, 샤를-오귀스탱 드 쿨롱은 공기가 전기를 전도한다는 사실을 발견했는데, 이는 당시 대기 가스가 절연체라는 일반적인 생각과는 다른 것이었다. 파울 에르만(1804)은 지구가 음전하를 띤다는 이론을 제시했고, 장 샤를 아타나즈 펠티에(1842)는 이 이론을 실험적으로 검증했다.
이후 여러 연구자들이 대기 전기 현상에 대한 지식을 넓히는 데 기여했다. 프랜시스 로날즈는 1810년경부터 전위 기울기와 공기-지구 전류를 관찰하기 시작했으며, 지속적인 자동 기록 장치를 개발했다.[7] 그는 1840년대에 큐 천문대의 초대 명예 이사로서 연구를 재개하여, 전기 및 관련 기상 변수에 대한 최초의 포괄적인 데이터 세트를 구축했다. 또한 전 세계적인 대기 전기 관측망 구축을 목표로 자신의 장비를 다른 관측소에 공급하기도 했다.[8] 켈빈 경이 개발한 새로운 물방울 수집기와 분할 링 전위계[9]는 1860년대 큐 천문대에 도입되었고, 대기 전기는 이 관측소가 문을 닫을 때까지 주요 연구 분야로 남았다. 높은 고도에서의 측정을 위해 초기에는 연이 사용되었고, 이후 기상 관측용 기구나 열기구 등이 실험 장비를 공중으로 올리는 데 사용되었다. 초기 실험자 중에는 직접 열기구를 타고 올라가 관측하는 경우도 있었다.
호퍼트(1888)는 초기 카메라를 사용하여 번개가 땅으로 떨어지는 개별적인 하향 뇌격(stroke)을 식별했다.[10] 율리우스 엘스터와 한스 프리드리히 가이텔은 열전자 방출을 연구했으며, 뇌우의 전기적 구조를 설명하는 이론(1885)을 제안했다. 이후 그들은 대기 중에 양이온과 음이온이 존재한다는 사실로부터 대기 방사능을 발견했다(1899).[11] 포켈스(1897)는 현무암에 남은 번개 자국을 분석하고(1900년경)[12] 번개에 의해 생성된 잔류 자기장을 연구하여 번개 전류의 강도를 추정했다.[13] 민감한 전기 장비를 이용한 대기 전하 측정과 지구가 어떻게 음전하를 유지하는지에 대한 이해는 주로 20세기에 이루어졌으며, 찰스 톰슨 리스 윌슨이 이 분야에서 중요한 역할을 했다.[14][15] 현대의 대기 전기 연구는 주로 번개 현상, 특히 고에너지 입자 방출 및 과도 발광 현상, 그리고 뇌우가 아닌 전기적 과정이 날씨와 기후에 미치는 영향에 초점을 맞추고 있다.
3. 대기 전기의 발생 원리
대기 전기는 뇌우가 없는 맑은 날씨에도 항상 존재한다. 일반적으로 지구 표면은 음전하를 띠고, 그 위 대기는 양전하를 띠어 지구 표면과 대기 사이에 전위차가 발생한다.[41][6] 이러한 전위차는 대기 전기장을 형성하며, 대기 중 이온의 이동을 통해 약한 전류가 흐르게 한다. 대기는 주로 우주 방사선에 의해 지속적으로 이온화되어 약한 전도성을 가진다.[4] 우주에서 오는 고에너지 입자는 대기 분자와 충돌하여 이차 방사선과 이온을 생성하며, 이 이온들이 대기의 전기적 특성에 기여한다.
지구 표면에서 수십 킬로미터 상공부터 전리층까지 이어지는 전기권(Electrosphere)은 높은 전기 전도성을 가지며 거의 일정한 전위를 유지한다. 전리층은 태양 복사에 의해 대기 상층부가 이온화된 영역이다.[24]
지구 표면의 음전하와 대기의 양전하 상태, 즉 지구-전리층 간의 전위차는 주로 전 세계적인 뇌우 활동에 의해 유지된다. 뇌우 속 번개는 대기 중의 음전하를 지표면으로 운반하는 중요한 역할을 한다.[12] 뇌우 내에서는 얼음 입자들의 충돌 등으로 전하 분리가 일어나며, 이것이 번개 발생의 원인이 된다. 이 과정을 통해 지구 전체의 전기적 균형이 유지된다.
3. 1. 전위차와 대기 전기장
뇌우가 없는 맑은 날씨에도 대기 전기는 항상 존재한다. 이때 지구 표면 위 공기는 양전하를 띠고, 지구 표면은 음전하를 띤다.[41] 이 때문에 지구 표면과 그 위의 공기 사이에는 전위차가 발생한다.맑은 날씨의 대기 전기장은 일반적으로 지표면을 향하는 음의 방향을 가지므로, 보통 반대 부호인 전위 기울기로 표현한다. 뇌우에서 멀리 떨어진 곳의 지표면 근처에서 측정되는 전위 기울기는 약 100 V/m이다.[6] 하지만 대부분의 지역에서는 지구 전체의 뇌우 활동이나 대기 난류로 인해 전하 분포가 영향을 받기 때문에, 실제 전위 기울기는 이 값보다 훨씬 낮은 경우가 많다.[31]
대기 중에는 이온들이 존재하며, 이 이온들이 대기 전기장 내에서 이동하면서 약한 전도 전류가 흐른다. 이 전류의 크기는 대략 제곱미터당 2 피코암페어 정도이며, 이로 인해 공기는 약한 전기 전도성을 가지게 된다.
대기 전기장은 전 지구적으로 주기적인 변화를 보이는데, 이는 20세기에 워싱턴 카네기 연구소의 연구를 통해 밝혀졌다. 전 지구적 대기 전기장은 UT 기준으로 오전 3시경에 가장 약해졌다가 약 16시간 후에 최고조에 달한다. 이 주기적인 변화 패턴을 카네기 곡선[16]이라고 부르며, "지구의 근본적인 전기적 심장 박동"이라고도 불린다.[17]
뇌우가 없는 지역이라도 대기 전기 상태는 매우 변동성이 크다. 예를 들어, 안개나 먼지가 많은 환경에서는 일반적으로 전기장은 더 강해지고 공기의 전기 전도도는 감소하는 경향을 보인다.
3. 2. 우주 방사선
지구와 지구상의 거의 모든 생명체는 우주에서 오는 방사선에 끊임없이 노출되어 있다. 이 방사선은 주로 태양계 외부에서 유래하며, 양성자에서 철 및 그보다 더 큰 원자핵에 이르는 양전하를 띤 이온들로 구성된다. 이 고에너지 입자들이 지구 대기권으로 들어오면 대기 중의 원자와 상호작용하여 X선, 뮤온, 양성자, 알파 입자, 파이온, 전자 등을 포함하는 이차 이온화 방사선을 만들어내는 공중 샤워 현상을 일으킨다. 이러한 이차 방사선에 의한 이온화 과정은 대기가 약한 전도성을 갖게 하는 주요 원인이 된다. 이렇게 생성된 이온들로부터 지구 표면으로 흐르는 미세한 전류는 뇌우 활동으로 인해 발생하는 전류 흐름과 균형을 이루는 데 기여한다. 대기 중에 생성된 이온들은 고도에 따라 달라지는 이동도, 수명, 생성률과 같은 고유한 특성을 가진다.[4][30]3. 3. 뇌우와 번개
뇌우는 대기에서 지면으로 음전하를 전달하는 번개를 통해 전리층과 지구 사이에 전위차를 유지시키는 역할을 한다.[12]
적란운 내부에서 얼음과 연한 우박(싸락눈)의 충돌은 구름 내부에 양전하와 음전하를 분리시키는데, 이는 번개 발생에 필수적인 과정이다. 번개가 처음 어떻게 형성되는지에 대해서는 아직 명확히 밝혀지지 않았으며, 과학자들은 바람, 습도, 대기압과 같은 대기 교란 현상부터 태양풍 및 고에너지 입자의 영향까지 다양한 원인을 연구하고 있다.
평균적인 번개는 약 40 kA(킬로암페어)의 음전류를 전달하며, 일부 강력한 번개는 최대 120 kA에 이르기도 한다. 이때 약 5 쿨롱의 전하와 500 MJ(메가줄)의 에너지가 이동하는데, 이는 100와트 전구를 약 두 달간 켤 수 있는 에너지 양이다. 번개의 전압은 그 길이에 따라 달라지는데, 공기의 절연 파괴 전압은 미터당 3백만 볼트에 달하며 번개는 종종 수백 미터 길이에 이른다. 하지만 번개 선도(leader)가 발달하는 과정은 단순한 절연 파괴 현상만은 아니며, 번개 선도가 전파되는 데 필요한 주변 전기장은 절연 파괴 강도보다 훨씬 낮을 수 있다. 또한, 잘 발달된 귀환 뇌격(return stroke) 채널 내부의 전위 기울기는 강한 이온화로 인해 미터당 수백 볼트 이하로 낮아지며, 100 kA의 강한 귀환 뇌격 전류가 흐를 때 실제 전력 출력은 미터당 메가와트 수준에 달한다.[37]
구름에서 응축되어 강수로 내리는 물의 양을 알면 뇌우가 가진 총 에너지를 계산할 수 있다. 평균적인 뇌우 하나가 방출하는 에너지는 약 (3.6 줄)에 달하며, 이는 20 킬로톤급 핵무기의 폭발력과 맞먹는다. 크고 강력한 뇌우의 경우 이보다 10배에서 100배 더 큰 에너지를 가질 수 있다.
3. 4. 카네기 곡선
20세기 워싱턴의 카네기 연구소는 전 지구적인 대기 전계의 일일 주기성을 연구하였다. 이 연구 결과에 따르면, 대기 전계는 UT 기준으로 오전 3시경에 가장 약해지고, 그로부터 약 16시간 후에 가장 강해지는 주기적인 변동을 보인다. 이러한 변동 패턴을 카네기 곡선[16][42]이라고 부르며, 이는 "지구의 근본적인 전기적 심장 박동"[17][43]으로 비유되기도 한다.3. 5. 생물학적 요인과의 연관성
맑은 날씨에 지구 표면은 음전하를 띠고 대기는 양전하를 띠는데, 이로 인해 지표면과 대기 사이에 전위차가 발생한다. 이 전위차는 대기 전위 기울기를 만들어 양전하를 띤 대기에서 음전하를 띤 지구 표면으로 이온 흐름을 유도한다. 일반적으로 맑은 날씨의 평평한 들판에서 대기 전위 기울기는 약 120 V/m 정도이다.[18][44]하지만 꽃이나 나무처럼 땅에서 튀어나온 물체 주변에서는 전기장 강도가 미터당 수 킬로볼트(kV/m)까지 크게 증가할 수 있다.[19][45] 이러한 강한 정전기력은 생물체의 행동에 영향을 미친다. 예를 들어, 꿀벌이나 뒤영벌과 같은 곤충은 꽃 주변의 강한 전기장을 감지하여 꽃을 찾아가는 데 도움을 받으며,[19][45] 거미는 대기 전위 기울기를 이용하여 풍선 비행이라는 방식으로 이동하기도 한다.[18][20][44]
반대로 생물체가 대기 전하에 영향을 주기도 한다. 무리를 지어 이동하는 곤충[22]이나 새[23]는 대기 중에 전하를 발생시키는 원인이 될 수 있으며, 이는 대기 전기 현상의 변동성에 기여할 가능성이 있다.
또한, 대기 전위 기울기는 땅속의 전기화학 반응이나 미생물 활동과 같은 지하 과정에도 영향을 미치는 것으로 생각된다.[21][46]
4. 대기 전기와 관련된 현상
대기 전기는 우리 주변에서 다양한 자연 현상을 일으키는 원인이 된다. 가장 잘 알려진 현상으로는 뇌우 시 발생하는 강력한 전기 방전인 번개가 있다. 또한, 뇌우 중에 뾰족한 물체 끝에서 푸른빛이나 보라색 빛이 방출되는 세인트 엘모의 불 역시 코로나 방전의 일종으로 대기 전기 현상에 속한다.[26] 이는 종종 구상 번개와 혼동되기도 하지만 서로 다른 현상이다.
지구 표면과 전리층 사이의 공간에서는 특정 주파수의 전자기파가 공명하는 슈만 공명 현상이 나타나는데, 이 역시 번개와 같은 대기 전기 활동에 의해 에너지를 얻는다.[27] 이러한 자연 현상 외에도 대기 전기는 전력 시스템의 안전한 운영을 위한 접지, 건물 보호를 위한 피뢰침, 전리층의 특성 연구 등 다양한 기술 및 과학 분야와 밀접한 관련이 있다. 대기 전기 현상은 지구뿐만 아니라 화성과 같이 대기가 있는 다른 행성에서도 발생할 가능성이 연구되고 있다.
4. 1. 번개
번개는 뇌우 구름과 지면 사이, 또는 구름과 구름 사이에서 발생하는 강력한 전기 방전 현상이다. 전리층과 지구 사이의 전위차는 주로 뇌우에 의해 유지되며, 번개(낙뢰)는 대기 중의 음전하를 지면으로 전달하는 중요한 역할을 한다.
적란운 내부에서는 얼음 결정과 싸락눈이나 작은 우박 같은 얼음 알갱이들이 충돌하면서 양전하와 음전하가 분리된다. 이렇게 분리된 전하는 번개 발생에 필수적인 조건이다. 다만, 번개가 처음 어떻게 시작되는지에 대한 정확한 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 과학자들은 바람, 습도, 기압과 같은 대기 조건의 변화부터 태양풍이나 우주에서 오는 고에너지 입자의 영향까지 다양한 가능성을 염두에 두고 연구를 진행하고 있다.
평균적인 번개는 약 40kA(킬로암페어)의 음전류를 순간적으로 흘려보내며, 때로는 120kA에 이르기도 한다. 이때 약 5쿨롱의 전하와 500MJ(메가줄)의 에너지가 이동하는데, 이는 100와트 전구를 약 두 달 동안 켤 수 있는 막대한 양이다. 번개가 발생할 때의 전압은 번개의 길이에 따라 달라진다. 공기의 절연 파괴 전압은 미터당 약 3백만 볼트에 달하며, 번개의 길이는 보통 수백 미터에 이른다. 하지만 번개가 처음 길을 내는 과정(선도 발달)은 단순한 절연 파괴 현상과는 차이가 있다. 번개 선도가 뻗어 나가기 위해 필요한 주변의 전기장은 절연 파괴 전압보다 훨씬 낮을 수 있다. 또한, 번개가 치고 난 후 전류가 강하게 흐르는 통로(귀환 뇌격 통로)는 매우 강하게 이온화되어 있기 때문에, 내부의 전위 기울기는 미터당 수백 볼트 정도로 상대적으로 낮아진다. 그럼에도 불구하고 100kA 정도의 강한 전류가 흐르면 미터당 메가와트(MW) 수준의 엄청난 전력이 발생하게 된다.[12][37]
뇌우의 전체 에너지는 구름 속에서 물이 응결되어 비나 눈 등으로 내리는 양을 통해 추정할 수 있다. 평균적인 뇌우 하나가 방출하는 에너지는 약 1천만 킬로와트시(10GWh, 3.6 × 1013 줄)에 달하며, 이는 20킬로톤급 핵무기의 위력과 비슷하다. 규모가 크고 격렬한 뇌우는 이보다 10배에서 100배 더 강력한 에너지를 가질 수 있다.
=== 연구 역사 ===
전기 불꽃은 초기 전기 기계나 라이덴 병 실험에서 쉽게 관찰할 수 있었고, 이는 혹스비, 뉴턴, 월, 놀레, 그레이와 같은 초기 과학자들이 번개 역시 거대한 전기 방전 현상일 것이라고 추측하게 만들었다. 특히 1708년, 월 박사는 전기를 띤 호박 조각에서 나오는 불꽃을 보고 이것이 마치 작은 번개와 같다고 생각한 최초의 인물 중 하나였다.
벤자민 프랭클린은 번개와 실험실에서 만드는 전기 사이에 많은 유사점이 있음을 발견하고, 1749년경 번개가 본질적으로 전기 현상임을 확신했다. 그는 1750년, 구름 속 전기를 모으기 위해 뾰족한 끝을 가진 높은 금속 막대를 세우는 아이디어를 제안했다. 프랭클린이 직접 실험하기 전인 1752년 5월, 프랑스의 토마-프랑수아 달리바르는 파리 근교 마를리-라-빌에 약 12.19m 높이의 철 막대를 세워 지나가는 구름으로부터 실제로 전기 불꽃을 끌어내는 데 성공하며 프랭클린의 이론을 입증했다. 프랭클린 자신도 1752년 6월경에 유명한 연 실험을 수행한 것으로 알려져 있다.
이후 많은 과학자들이 대기 전기에 대한 이해를 넓혔다. 카발로는 중요한 관찰들을 기록했고, 레모니에(1752)는 먼지 입자를 이용해 대기 중 전하를 확인했으며, 맑은 날에도 대기 전기가 존재하고 하루 중 시간에 따라 변한다는 사실(일주기 변동)을 기록했다. 베카리아(1775)는 맑은 날 대기의 전하가 양(+)극성을 띤다는 것을 확인했고, 소쉬르(1779)는 전위계의 초기 형태를 고안하여 고도에 따라 대기 전하가 변하며 연간 변화 패턴도 있음을 발견했다. 1785년 쿨롱은 공기가 약간의 전기 전도성을 가진다는 사실을 발견했는데, 이는 당시 공기가 완전한 절연체라고 생각했던 통념과는 다른 것이었다. 에르만(1804)은 지구가 음전하를 띤다고 주장했고, 펠티에(1842)는 이를 실험적으로 확인했다.
19세기에는 보다 체계적인 관측이 이루어졌다. 프랜시스 로날즈는 1810년대부터 전위 기울기와 공기-지구 전류를 꾸준히 측정하고 자동 기록 장치를 개발했으며[7], 1840년대에는 큐 천문대에서 포괄적인 대기 전기 데이터를 구축하는 데 기여했다.[8] 켈빈 경이 개발한 물방울 수집기나 전위계[9] 등 새로운 측정 장비들도 도입되었다. 초기에는 연이나 열기구를 이용해 높은 고도의 대기 전기를 측정하기도 했다.
번개 자체에 대한 연구도 진전되었다. 호퍼트(1888)는 초기 사진 기술을 이용해 번개가 땅으로 내려오는 개별적인 섬광(하향 뇌격)을 포착했다.[10] 엘스터와 가이텔은 뇌우의 전기적 구조에 대한 이론(1885)을 제시하고, 공기 중의 이온 존재를 통해 대기 방사능을 발견했다(1899).[11] 포켈스(1897)는 현무암에 남은 번개의 흔적을 분석하고 번개가 만든 자기장을 측정하여 번개 전류의 세기를 추정하는 방법을 개발했다.[12][13] 20세기에는 CTR 윌슨 등이 지구 전체의 전기적 균형(지구가 음전하를 어떻게 유지하는지 등)에 대한 이해를 높이는 데 중요한 기여를 했다.[14][15] 현대의 대기 전기 연구는 주로 번개 자체의 물리적 과정(특히 고에너지 입자 발생이나 순간적인 발광 현상 등)과, 뇌우가 아닌 일반적인 날씨 및 기후 변화에서 전기적 과정이 어떤 역할을 하는지에 초점을 맞추고 있다.
4. 2. 코로나 방전 (세인트 엘모의 불)
세인트 엘모의 불(St. Elmo's Fire)은 접지된 물체 주변에서 발생하는 코로나 방전에 의해 빛나는 플라즈마가 만들어지는 전기 현상이다.[26][49] 이는 종종 구상 번개와 혼동되기도 하지만, 서로 다른 현상이다.[26][49] '불'이라는 이름과 달리 실제로는 플라즈마 상태이며, 주로 뇌우가 칠 때 나무 꼭대기, 첨탑, 돛대와 같은 높고 뾰족한 물체나 동물의 머리 등에서 붓으로 그린 듯한 모양이나 별 모양의 빛으로 관찰된다.코로나 방전은 물체 주변의 강한 전기장이 공기 분자를 이온화시키면서 발생하며, 이로 인해 어두운 환경에서 쉽게 볼 수 있는 희미한 빛이 만들어진다. 세인트 엘모의 불이 발생하려면 일반적으로 센티미터당 약 1,000 ~ 30,000 볼트의 전압이 필요하지만, 이는 물체의 기하학적 형태에 따라 달라진다. 특히 날카롭고 뾰족한 부분은 전기장이 더 강하게 집중되기 때문에 상대적으로 낮은 전압에서도 방전이 일어나기 쉽다.
세인트 엘모의 불은 뇌우가 발생할 때, 폭풍 아래의 지면이 전기를 띠고 구름과 지면 사이의 공기에 높은 전압이 형성될 때 관찰될 수 있다. 이 높은 전압이 공기 분자를 분해하여 빛을 내게 만드는 것이다. 지구 대기의 주성분인 질소와 산소 때문에 세인트 엘모의 불은 주로 파란색이나 보라색 빛을 띤다. 이는 네온사인이 빛을 내는 원리와 유사하다.
4. 3. 슈만 공명
슈만 공명은 지구 전자기장 스펙트럼의 극저주파(ELF) 영역에서 나타나는 일련의 스펙트럼 최고점(peak)이다. 이는 지구 표면과 전기를 잘 통하는 전리층 사이의 공간이 도파관(waveguide)처럼 작용하기 때문에 발생한다. 지구의 크기가 한정되어 있어 이 도파관은 특정 주파수의 전자기파가 공명하는 공간(공진 공동) 역할을 한다. 이 공간은 주로 번개 방전 시 발생하는 에너지에 의해 자연적으로 전자기파가 공명하게 된다.[27]4. 4. 전기 시스템 접지
대기 중의 전하는 공중에 전력선이 매달려 있는 배전 시스템에 바람직하지 않고 위험한 전하 축적을 일으킬 수 있다. 지면과 떨어져 수 킬로미터에 걸쳐 노출된 전선은 뇌우나 번개가 없어도 매우 높은 전압으로 전하를 축적할 수 있다. 이 축적된 전하는 사람이 전원 스위치를 조작하거나 전기 장치를 사용하려 할 때처럼, 절연이 가장 약한 경로를 통해 방전되려는 경향이 있다.이러한 대기 전하 축적을 해소하고 안전을 확보하기 위해, 전기 배전 시스템의 한쪽은 시스템 전체의 여러 지점, 예를 들어 거의 모든 전주에서 접지된다. 이렇게 땅에 연결된 선을 일반적으로 보호 접지라고 부른다. 보호 접지는 축적된 전하가 안전하게 분산될 수 있는 경로를 제공하며, 만약 특정 접지 경로가 부식되거나 접지 상태가 나빠져 제 기능을 못 할 경우를 대비한 중복성도 확보한다.
전력을 직접 전달하지 않는 추가적인 접지선도 중요한 역할을 한다. 이 접지선은 절연이 손상된 장치가 전력망에 연결되어 사람이 만졌을 때 감전될 수 있는 위험한 상황을 방지한다. 문제가 발생하면 이 접지선이 단락 회로 경로를 만들어 퓨즈를 빠르게 끊어지게 함으로써 고장 난 장치를 안전한 상태로 만든다.
교류 배전망의 각 변압기는 접지 시스템을 새로운, 분리된 회로 루프로 나눈다. 이렇게 분리된 각각의 배전망(구역) 역시 내부 전하 축적을 막기 위해 한쪽을 접지해야 한다. 접지가 제대로 이루어지지 않으면, 축적된 전하가 변압기 코일을 통해 배전망의 다른 접지된 부분으로 방전되면서 시스템에 손상을 일으킬 수 있다.
4. 5. 낙뢰 보호
초기 과학자들은 전기 불꽃과 번개 사이의 유사성에 주목했다. 윌리엄 월과 같은 학자들은 대전된 호박 조각에서 나오는 불꽃을 관찰하며, 이것이 작은 번개와 유사하다고 생각한 최초의 인물 중 하나였다.벤자민 프랭클린은 이러한 생각을 발전시켜 번개가 실험실에서 만들어지는 전기 현상과 본질적으로 다르지 않다는 것을 실험을 통해 증명하고자 했다. 1749년경, 그는 번개가 전기 기계에서 관찰되는 특성들을 거의 모두 가지고 있음을 확인했다.
1750년, 프랭클린은 높고 뾰족한 금속 막대(안테나)를 이용하면 구름 속의 전기를 끌어낼 수 있을 것이라는 중요한 가설을 세웠다. 이는 현대 피뢰침의 기본적인 원리가 된다. 프랭클린이 직접 실험하기 전인 1752년 5월, 프랑스의 토마-프랑수아 달리바르는 파리 근교 마를리-라-빌에 약 12.19m 높이의 철 막대를 세워 프랭클린의 가설을 실험적으로 증명했다. 그는 접지된 선을 막대 가까이 가져가 불꽃 방전을 관찰함으로써 번개가 전기 현상임을 확인했다.
비슷한 시기인 1752년 6월경, 프랭클린 자신도 유명한 연 실험을 통해 위험을 무릅쓰고 번개의 전기적 성질을 직접 확인한 것으로 알려져 있다. 이러한 프랭클린의 연구와 실험들은 번개의 위험으로부터 사람과 건물을 보호하는 피뢰침의 발명으로 이어지는 결정적인 계기가 되었다. 피뢰침은 뾰족한 금속 막대를 통해 번개를 안전하게 유도하여 접지선을 통해 땅으로 흘려보내는 방식으로 작동하여 낙뢰로부터 건물을 보호한다.
4. 6. 전리층 연구
전기권은 지구 표면에서 수십 킬로미터 위에서부터 전리층까지 이어지는 영역으로, 높은 전기 전도성을 가지며 기본적으로 일정한 전위를 유지한다.[24][47] 전리층은 자기권의 안쪽 경계에 해당하며, 주로 태양 복사에 의해 대기 분자가 이온화되어 형성된다. 이 과정을 광이온화라고 하는데, 이는 광자가 원자, 이온 또는 분자와 충돌하여 하나 이상의 전자를 방출시키는 물리적 현상이다.[24][47]지구와 지구상의 생명체는 우주에서 오는 방사선, 즉 우주선의 영향을 끊임없이 받는다. 이 우주선은 대부분 태양계 외부에서 유래하며, 양성자부터 철이나 더 무거운 원자핵에 이르는 양전하를 띤 이온들로 구성된다. 이 고에너지 입자들이 지구 대기권에 진입하면 대기 중의 원자들과 상호작용하여 X선, 뮤온, 양성자, 알파 입자, 파이온, 전자 등을 포함하는 이차 이온화 방사선을 만들어내는 공중 샤워 현상을 일으킨다.[4]
이렇게 생성된 이차 방사선에 의한 이온화는 대기가 약한 전기 전도성을 띠게 만드는 원인이 된다. 이 이온들로 인해 지구 표면으로 미세한 전류가 흐르며, 이는 뇌우 활동으로 인해 발생하는 전류 흐름과 균형을 이룬다. 대기 중의 이온들은 이동도, 수명, 생성률과 같은 고유한 특성을 가지며, 이러한 특성은 고도에 따라 달라진다.[4]
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