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번개

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목차

1. 개요

번개는 뇌운과 지표면 또는 뇌운 내에서 발생하는 강력한 전기 방전 현상이다. 뇌우 동안 구름 내에서 전하 분리가 일어나고, 전위차가 대기의 절연 한계를 넘어서면 리더를 통해 방전이 시작된다. 번개는 구름 내, 구름 간, 구름에서 지면으로 떨어지는 세 가지 주요 유형으로 분류되며, 특히 구름에서 지면으로 떨어지는 낙뢰는 인명 및 재산 피해를 야기할 수 있다. 번개는 천둥을 동반하며, 전자기파와 X선, 감마선과 같은 방사선을 방출하기도 한다. 번개는 질소 고정 작용을 통해 식물의 성장에 기여하며, 다양한 문화에서 신성한 현상으로 여겨져 왔다.

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번개
지도
개요
정의대기 중에 발생하는 강력한 전기 방전 현상
특징매우 짧은 시간 동안 발생
매우 밝은 빛을 동반
매우 큰 에너지를 방출
동반 현상천둥
우박
폭우
강풍
돌풍
명칭
다른 이름벼락
뇌전
전광
번갯불
이나즈마 (일본어)
영어lightning
종류
방전 장소에 따른 분류대지 방전
구름 내 방전
구름 간 방전
공중 방전
지표면 방전
형태에 따른 분류선형 번개
구상 번개
판상 번개
염주상 번개
생성 원리
핵심 원리구름 속의 얼음 알갱이와 과냉각 물방울이 서로 충돌하면서 전하가 분리되어 축적되는 현상
전하 축적구름 내부에서 양전하와 음전하로 분리되어 축적
방전 발생 조건전하 축적량이 임계값을 넘으면 방전 발생
주요 과정선도 방전(step leader)
복귀 스트로크(return stroke)
재방전(dart leader)
위험성
낙뢰 피해감전
화재
기기 파손
시설물 파괴
인명 피해
예방 및 대처법낙뢰 발생 시 실내로 대피
높은 나무나 금속 물체에서 멀리 떨어짐
낙뢰 보호 시설 설치
문화 속의 번개
신화 및 종교신의 힘, 천벌, 초자연적인 현상으로 묘사
예술 및 문학강렬함과 역동성을 표현하는 소재
공포와 두려움을 상징하는 소재
속담 및 관용구번개처럼 빠르다, 번갯불에 콩 구워 먹는다 등
기타
관련 용어천둥
낙뢰
뇌우
전자기파

2. 번개의 발생 원리

번개는 복잡한 과정을 통해 발생하며, 정확한 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 주로 다음과 같은 원리로 설명된다.[163][168]

뇌운과 지표면 사이에 번개가 발생하려면 먼저 뇌운이 음으로 대전되어 있어야 한다. 뇌운이 음전하를 띠면 지표면은 양전하로 대전된다. 이 두 영역이 서로 다른 극성으로 대전되어 전기장이 형성되고, 전하의 양이 증가하면 전기장의 세기도 강해진다. 전기장의 세기가 대기의 절연 파괴(부도체적인 특성을 잃는 현상)를 일으킬 정도가 되면, 뇌운에서 지표면으로 방전 현상, 즉 뇌격이 발생한다.

뇌격은 다음과 같은 복잡한 과정을 거친다.

1. 계단형 선도 (Stepped Leader): 뇌운의 음전하가 지표면을 향해 이동하면서 이온화된 공기 채널이 발생한다. 이를 리더(Leader)라고 하며, 나뭇가지처럼 갈라지기도 하고, 특히 음의 리더는 불연속적인 형태로 이동하여 계단형 선도라고 불린다.

2. 상승 기류 (Upward Streamer): 계단형 선도가 지표면에 가까워지면 지표면의 양전하가 전기장 세기를 증가시킨다. 전기장이 충분히 강해지면 지표면에서 양전하를 띤 이온 통로인 상승 기류가 형성된다.

3. 복귀 뇌격 (Return Stroke): 하강 기류와 상승 기류가 만나면 저항이 낮은 경로가 만들어지고 방전이 일어난다. 이때 상승 기류와 연결되지 못한 하강 기류는 번개의 가지로 나타난다. 뇌운의 음전하와 지표면의 양전하 사이에서 엄청난 양의 전하가 방출되고, 지표면에서 뇌운으로 전류가 흐르는데, 이것이 복귀 뇌격이다. 복귀 뇌격은 번개 방전에서 가장 밝게 빛나는 부분이다.

4. 계단형 전위: 복귀 뇌격으로 인해 전류가 급격히 상승하면서 지표면에 큰 전압 차이가 발생하는데, 이를 계단형 전위라고 한다.

5. 플라즈마 통로 형성: 복귀 뇌격 전류는 평균 30kA(킬로암페어)로, 리더를 가열하여 전기 전도성이 높은 플라즈마 통로를 만든다. 복귀 뇌격 시 플라즈마 중심부 온도는 50000K(켈빈)을 넘기도 하며, 이로 인해 기체가 팽창하여 천둥 소리가 발생한다.

실제 번개는 여러 개의 뇌격으로 이루어져 있으며, 첫 번째 뇌격 이후의 뇌격들은 빠르게 나타나지만 세기는 약하다. 이들은 이전의 방전 통로를 다시 사용하기도 하지만, 바람 때문에 통로가 사라지기도 한다.

뇌우 대전 과정은 아직 연구 중이지만, 마찰전기 효과에 의해 충돌하는 물체 사이에서 전자나 이온이 이동하면서 대전되는 것으로 알려져 있다.[14] 뇌우의 주요 대전 영역은 공기가 빠르게 상승하는 뇌우 중심부(기온 -15°C에서 -25°C)이며, 이곳에서 과냉각된 구름 방울, 작은 얼음 결정, 우박(graupel)이 섞여 생성된다. 상승 기류는 과냉각된 구름 방울과 작은 얼음 결정을 위로 운반하고, 크고 밀도가 높은 우박은 낙하하거나 상승하는 공기 중에 떠 있게 된다.[15]

강수의 이동 차이로 인해 충돌이 발생하는데, 상승하는 얼음 결정이 우박과 충돌하면 얼음 결정은 양전하, 우박은 음전하를 띠게 된다. 상승 기류는 양전하를 띤 얼음 결정을 뇌우 구름 꼭대기로 운반하고, 크고 밀도가 높은 우박은 뇌우 구름 중간에 떠 있거나 하부로 떨어진다.[15] 결과적으로 뇌우 구름 상부는 양전하, 중간에서 하부는 음전하를 띠게 된다.[15]

윌리엄 톰슨(켈빈 경)은 물에서 전하 분리가 지구 표면의 일반적인 전기장에서 발생한다는 것을 보여주었고, 켈빈 물방울 장치를 통해 이를 증명했다.[17]

번개의 전하 운반체는 주로 플라즈마 내의 전자이다.[22] 액체나 고체 상태의 물과 관련된 이온에서 번개와 관련된 전자로 전하가 이동하는 과정은 전기화학(화학 종의 산화/환원)을 수반한다.[23]

번개는 다양한 기상 상황에서 발생하며, 뇌운 생성 원인에 따라 열뇌, 전선뇌, 소용돌이뇌 등으로 나뉜다.[162]

2. 1. 뇌운의 형성

지표면에서 공기가 가열되는 등의 이유로 상승 기류가 발생하여 상공으로 올라가면, 어느 지점에서 포화 수증기량을 초과하여 물방울(구름입자)이 발생한다. 이것이 구름이며, 습도가 높을수록 저층부터, 기류의 규모가 클수록 고공까지 발달한다.

이 물방울은 고공으로 갈수록 저온이기 때문에, 얼음 입자인 빙정이 된다. 빙정은 더욱 우박(graupel)이 되어 상승 기류에 실려 서로 격렬하게 부딪히거나 부서지면서 정전기가 축적된다.[15] 성장하여 무거워진 우박은 아래로, 가벼운 빙정은 위로 올라간다. 우박은 음, 빙정은 양으로 대전되므로, 구름 상층에는 양의 전하가 축적되고, 하층에는 음의 전하가 축적된다.[15]

구름 속에서 전위차가 발생하는 원인은 오랫동안 연구자들 사이에서 논의되어 왔으며, 서로 다른 관점에서 여러 가지 설이 제기되어 왔다. 공기나 강수 입자가 상승하는 운동이 일으킨다는 대류설, 강수의 물리적 과정과 입자의 낙하 속도의 차이가 일으킨다는 강수 전하설 등이 있다.

이러한 이론들을 종합한 착빙 전하 분리 이론(高橋, 1978)은 유력한 설이 되고 있다.[170]

  • 물은 고체보다 액체일 때 결합 해리 에너지가 낮기 때문에, 물방울 속에는 많은 H+이나 OH-이 생성된다. 그러나 H+는 얼음에 침투하기 쉽기 때문에, 물방울·빙정·우박이 접촉하는 환경에서는 얼음이 양, 물이 음으로 대전된다.
  • 같은 환경에 빙정과 우박이 있는 경우, 우박에는 더 많은 구름입자가 증발·승화하지만, 그때의 잠열의 영향으로 우박은 빙정보다 따뜻해진다. 용매 속에서 일어나는 이온 결합의 반복 과정에서, 확산하기 쉬운 H+가 저온 쪽으로 확산되기 때문에, 저온 쪽이 양, 고온 쪽이 음으로 대전된다.
  • 기온이 -10℃ ~ 0℃ 정도의 비교적 따뜻한 환경에서는, 우박으로의 승화 응결에 따른 잠열로 우박의 표면이 녹아 수막이 생긴다. 앞서 설명한 바와 같이, 수막 속의 이온 중 H+는 얼음에 침투하기 쉽기 때문에 우박의 각 부분은 양, 수막 부분은 음으로 대전된다. 이 우박에 외부에서 빙정이 충돌하면, 빙정은 수막의 일부를 제거하고 음으로 대전되고, 우박은 전체적으로 양으로 대전된다.
  • 따라서, 구름 수량이 적은(습도가 낮은) 환경에서 빙정과 우박이 충돌하면, 저온의 빙정이 양, 고온의 우박이 음으로 대전된다. 구름 수량이 많은(습도가 높은) 환경에서 빙정과 우박이 충돌하면, 저온의 빙정이 음, 고온의 우박이 양으로 대전된다.


뇌우의 주요 대전 영역은 급상승 기류(상승 기류)가 빠르게 상승하고 기온이 에서 범위인 뇌우 중심부에서 발생한다.


상승하는 얼음 결정이 우박과 충돌할 때, 얼음 결정은 양전하를 띠고 우박은 음전하를 띠게 된다.


뇌우 구름의 상부는 양전하를 띠고, 중간에서 하부는 음전하를 띠게 된다.

2. 2. 전하 분리 이론

상승하는 얼음 결정이 우박(graupel)과 충돌하면, 얼음 결정은 양전하를 띠고 우박은 음전하를 띠게 된다.

뇌우 구름의 상부는 양전하를 띠고, 중간에서 하부는 음전하를 띠게 된다.

구름 속에서 전위차가 발생하는 원인에 대해서는 오랫동안 여러 가설들이 제시되어 왔다. 그 중 착빙 전하 분리 이론(다카하시, 1978)은 다음과 같으며, 현재 가장 유력한 가설로 받아들여지고 있다.[170]

  • 물은 고체보다 액체일 때 결합 해리 에너지가 낮기 때문에, 물방울 속에는 많은 H+이나 OH-이 생성된다. 그러나 H+는 얼음에 침투하기 쉽기 때문에, 물방울·빙정·우박이 접촉하는 환경에서는 얼음이 양, 물이 음으로 대전된다.
  • 같은 환경에 빙정과 우박이 있는 경우, 우박에는 더 많은 구름입자가 증발·승화하지만, 그때의 잠열의 영향으로 우박은 빙정보다 따뜻해진다. 용매 속에서 일어나는 이온 결합의 반복 과정에서, 확산하기 쉬운 H+가 저온 쪽으로 확산되기 때문에, 저온 쪽이 양, 고온 쪽이 음으로 대전된다.
  • 기온이 -10℃ ~ 0℃ 정도의 비교적 따뜻한 환경에서는, 우박으로의 승화 응결에 따른 잠열로 우박의 표면이 녹아 수막이 생긴다. 앞서 설명한 바와 같이, 수막 속의 이온 중 H+는 얼음에 침투하기 쉽기 때문에 우박의 각 부분은 양, 수막 부분은 음으로 대전된다. 이 우박에 외부에서 빙정이 충돌하면, 빙정은 수막의 일부를 제거하고 음으로 대전되고, 우박은 전체적으로 양으로 대전된다.
  • 따라서, 구름 수량이 적은(습도가 낮은) 환경에서 빙정과 우박이 충돌하면, 저온의 빙정이 양, 고온의 우박이 음으로 대전된다. 구름 수량이 많은(습도가 높은) 환경에서 빙정과 우박이 충돌하면, 저온의 빙정이 음, 고온의 우박이 양으로 대전된다.

2. 3. 방전 과정

뇌운 내부 또는 뇌운과 지면 사이의 전위차가 커져 공기의 절연 한계를 초과하면 방전이 발생한다. 방전 과정은 다음과 같이 세분화된다.

1. 선구 방전 (Stepped Leader): 뇌운에서 음전하가 지면을 향해 불연속적으로 이동하는 현상이다. 이온화된 공기 채널이 뇌운의 음전하 영역에서 발생하며, 이를 리더(Leader)라고 부른다. 리더는 종종 나뭇가지 모양으로 갈라지며, 특히 음의 리더는 계단형 선도라고 불리는 불연속적인 형태로 진행한다.

2. 상승 기류 (Upward Streamer): 계단형 선도가 지면에 접근하면 지표면에 존재하는 양전하가 전기장의 세기를 증가시킨다. 전기장이 충분히 강해지면, 지면에서 양전하를 띤 이온 통로, 즉 상승 기류가 형성된다.

3. 복귀 뇌격 (Return Stroke): 하강 기류와 상승 기류가 만나 저항이 낮은 경로가 형성되면 방전이 일어난다. 이때, 상승 기류와 연결되지 못한 하강 기류는 번개의 가지 부분으로 나타난다. 전도성 통로를 통해 뇌운의 음전하와 지표면의 양전하 사이에 엄청난 양의 전하가 방출되며, 지표면에서 뇌운으로 올라가는 전류가 발생한다. 이것이 복귀 뇌격이며, 번개 방전에서 가장 밝은 부분이다.

4. 계단형 전위: 복귀 뇌격으로 인한 급격한 전류 상승은 지표면에 큰 전압 차이를 만들며, 이를 계단형 전위라고 한다.

5. 플라즈마 통로 형성: 복귀 뇌격 전류는 평균 30kA에 달하며, 완성된 리더를 빠르게 가열하여 높은 전기 전도성을 띤 플라즈마 통로를 형성한다. 복귀 뇌격 동안 플라즈마 중심부 온도는 50000K을 넘기도 하며, 이 열로 인한 기체 팽창은 천둥과 같은 충격파를 생성한다.

실제 번개는 초고속 카메라로 촬영하면 3~4개, 최대 30개까지의 뇌격으로 이루어진 것을 볼 수 있다. 첫 번째 뇌격 이후의 뇌격들은 빠른 출현 시간을 가지지만 낮은 진폭을 가진다. 이들은 보통 이전에 사용되었던 방전 통로를 다시 이용하지만, 바람에 의해 통로가 움직여 사라질 수도 있다.

3. 번개의 종류

번개는 방전 경로에 따라 여러 종류로 나뉜다. 크게 구름 내부에서 일어나는 구름 방전, 구름과 지면 사이에서 발생하는 대지 방전(낙뢰), 그리고 기타 번개로 구분할 수 있다.


  • 구름 방전: 구름 내 방전(IC)과 구름 간 방전(CC)이 있다.
  • 대지 방전: 뇌운에서 지면으로 향하는 방전(CG)이 있으며, 위쪽 및 아래쪽 방향, 양극성(+CG)과 음극성(-CG)으로 세분화된다.
  • 기타 번개:
  • 막전(幕電): 밤에 멀리서 발생한 낙뢰가 구름에 반사되거나, 구름 내 방전에 의해 뇌운 자체가 빛나는 현상이다. 뇌명이 들리지 않는 경우가 많아 거시적 이상 현상으로 오인되기도 한다.[166]
  • 화산 번개: 화산 폭발 시 화산재와 가스의 마찰로 인해 발생한다.
  • 산불 번개: 강렬한 산불이 자체적인 기상 시스템을 만들어 발생시킨다.
  • 눈번개(thundersnow): 겨울철 추위 속에서 발생하는 번개이다.[28][29]
  • 열뇌: 여름철 강한 상승기류(주로 적란운)에 의해 발생한다. 국지적이고 산발적이며, 지속 시간이 짧다.
  • 계뢰: 한랭전선 상 등에서 발생하는 번개이다. 띠 모양으로 무리지어 발생하며, 낙뢰 영역이 이동하는 경우가 많다.
  • 열계뇌: 열뇌와 계뢰의 특성을 모두 가진다. 여름철에 강한 뇌우를 동반하며, 지상 피해를 일으키는 경우가 많다.
  • 회오리번개: 저기압이나 태풍 등에 의해 형성된 뇌운에 의한 번개이다.


번개는 주로 따뜻한 공기가 차가운 공기와 섞일 때 발생하며, 황사(dust storm), 토네이도(tornado) 등 다양한 기상 현상과 함께 나타날 수 있다.[26]

3. 1. 구름 방전 (Cloud Discharge)

하향 리더가 가지를 치며 지면으로 향한다.


미니어처
|섬광은 양전하 리더(파란색)와 음전하 리더(빨간색)의 연결에 의해 발생한다.]]

아직까지 잘 이해되지 않은 과정에서, “리더”라고 불리는 이온화된 공기의 양방향 채널이 뇌운 내의 서로 다른 전하 영역 사이에서 시작된다. 리더는 이온화된 기체의 전기 전도성 채널로, 리더 끝과 반대 전하를 띤 영역을 통해 전파되거나, 또는 그 영역에 끌린다. 양방향 리더의 음극은 구름 안쪽의 양전하 영역(웰이라고도 함)을 채우는 반면, 양극은 음전하 웰을 채운다. 리더는 종종 갈라져서 나무 모양의 패턴으로 가지를 친다.[48] 또한, 음극 리더와 일부 양극 리더는 “스테핑(stepping)”이라는 과정을 통해 불연속적으로 이동한다. 리더의 이러한 불규칙적인 움직임은 느린 동작으로 촬영한 번개 섬광 영상에서 쉽게 관찰할 수 있다.

리더의 한쪽 끝이 반대 전하의 웰을 완전히 채우는 동안 다른 쪽 끝이 여전히 활동적인 경우가 있을 수 있다. 이런 일이 발생하면 웰을 채운 리더의 끝은 뇌운 밖으로 전파되어 구름-대기 방전이나 구름-대지 방전을 일으킬 수 있다.

양전하와 음전하를 띤 리더는 반대 방향으로 진행되며, 양전하는 구름 내부에서 위쪽으로, 음전하는 지구를 향해 아래쪽으로 진행된다. 두 이온 채널 모두 각각의 방향으로 여러 번의 연속적인 급증을 통해 진행된다. 각 리더는 선두 끝에 이온을 “모으고”, 하나 이상의 새로운 리더를 쏘아내고, 잠시 다시 모아 전하를 띤 이온을 집중시킨 다음, 다른 리더를 쏘아낸다. 음극 리더는 아래쪽으로 향하면서 계속 전파되고 갈라지며, 지구 표면에 가까워질수록 종종 속도가 빨라진다.

“풀(pools)” 사이의 이온 채널 길이의 약 90%는 약 45m이다.[49] 이온 채널의 형성에는 결과적인 방전(수십 마이크로초 이내에 발생)과 비교하여 상대적으로 긴 시간(수백 밀리초)이 걸린다. 채널을 형성하는 데 필요한 전류는 수십 또는 수백 암페어로 측정되며, 실제 방전 중 후속 전류에 비해 훨씬 작다.

번개 리더의 시작은 잘 이해되지 않는다. 뇌운 내부의 전기장 강도는 일반적으로 이 과정을 자체적으로 시작하기에 충분하지 않다.[50]

구름 내부에서 발생하는 방전을 구름 내 방전(inter cloud lightning: IC), 구름과 구름 사이에서 발생하는 방전을 구름 간 방전(cloud to cloud lightning: CC)이라고 한다.[166]

3. 2. 대지 방전 (Cloud-to-ground Lightning, CG)

뇌운과 지면 사이에서 발생하는 방전은 '''낙뢰'''라고 부른다.[166] 뇌운에서 지면으로 향하는 방전을 대지뢰(cloud to ground lightning: CG)라고 하며, 대지뢰는 위쪽 방향과 아래쪽 방향, 양극성 (+CG)과 음극성 (-CG)으로 분류되므로, 결국 대지뢰는 4가지 종류가 있다.

구름과 지표면 사이의 번개(Cloud to Ground, CG)에서 전기장이 형성되기 위해서는 뇌운이라는 음으로 대전된 기초가 필요하다. 뇌운이 음으로 대전되어 있으면 그에 따라 지표면에는 양의 전하가 대전되게 된다. 이 두 부분이 서로 다른 극성으로 대전되어 있기 때문에, 전기장이 형성되고, 이 전하의 양이 증가하게 되면 그에 따라 전기장의 세기도 증가하게 된다. 이 전기장의 세기가 대기의 부도체적인 특성을 능가하게 되면, 뇌운에서 지표면으로 방전 현상, 즉 뇌격이 발생하게 된다.

이 뇌격은 실제로는 매우 복잡한 과정을 거쳐서 일어나게 된다. 먼저 구름과 지표면 사이의 번개가 생성되기 위해서는 뇌운에 있는 음전하가 하강하는 선구적인 형태가 나타난다. 이 상태에서 이온화된 공기의 채널이 뇌운의 음으로 대전된 부분에서 나타난다. 이를 리더(Leader)라고 부른다. 리더는 밀집된 전하의 지역을 이동할 수 있는 부분 이온화 된 기체들의 전도성 통로를 의미한다. 음으로 대전된 리더는 지표면을 향해서 움직이고, 양으로 대전된 리더는 그 반대방향으로 탐색한다. 리더들은 종종 나뉘면서 나무의 가지와 같은 형상을 만들게 되는데, 특히 음의 리더의 경우 불연속적인 형태로 진행하게 되고 이를 계단형 선도라고 한다.

아직까지 잘 이해되지 않은 과정에서, “리더”라고 불리는 이온화된 공기의 양방향 채널이 뇌운 내의 서로 다른 전하 영역 사이에서 시작된다. 리더는 이온화된 기체의 전기 전도성 채널로, 리더 끝과 반대 전하를 띤 영역을 통해 전파되거나, 또는 그 영역에 끌린다. 양방향 리더의 음극은 구름 안쪽의 양전하 영역(웰이라고도 함)을 채우는 반면, 양극은 음전하 웰을 채운다. 리더는 종종 갈라져서 나무 모양의 패턴으로 가지를 친다.[48] 또한, 음극 리더와 일부 양극 리더는 “스테핑(stepping)”이라는 과정을 통해 불연속적으로 이동한다. 리더의 이러한 불규칙적인 움직임은 느린 동작으로 촬영한 번개 섬광 영상에서 쉽게 관찰할 수 있다.

그 다음으로는 위로 올라가는 상승기류인데, 계단형 선도들이 지표면에 도달하면, 지표에 존재하는 양의 전하들은 전기장의 세기를 증가시킨다. 만약 이 전기장이 충분히 강하면, 상승기류, 즉 양으로 대전된 이온 통로가 이 점들에서 형성된다.

하강기류와 상승기류가 연결되면 저항이 낮은 경로가 형성되고 방전이 일어난다. 여기서 상승기류와 연결되지 못한 하강기류는 번개의 가지 부분으로 나타나게 된다. 방전은 먼저 복귀 뇌격을 시작으로 일어난다. 전도성 통로가 뇌운의 음전하와 지표면의 양전하사이에 형성되면, 엄청난 양의 전하가 방출되고 이에 따라 지표면에서부터 뇌운으로 올라가는 전류가 이온 통로를 통해 올라가게 된다. 이를 ‘복귀 뇌격’이라고 말하고 번개의 방전에서 가장 밝게 빛나는 부분이다.

뇌격을 감싸는 지상의 양전하들은 타격 지점을 향해서 이온통로를 통해 움직이면서 짧은 시간 내에 모두 중화되고 구름으로 다시 돌아간다. 전류의 급격한 상승은 땅의 표면을 따라서 커다란 전압 차이를 만드게 되는데 이를 계단형 전위라고 부른다. 복귀 뇌격의 전류는 평균 30kA로 이러한 전류가 흐르게 되면, 완성된 리더가 빠르게 가열되고 높은 전기 전도성을 띄는 플라즈마 통로를 형성하게 된다. 복귀 뇌격 동안 플라즈마 중심부의 온도는 50000K을 상회하며, 이 열로 인한 기체의 팽창은 천둥과 같은 충격파를 형성하게 된다. 실제 초고속카메라로 번개를 촬영해 보면 대략 3개 혹은 4개, 최고로는 30개까지의 뇌격으로 이루어진 것을 볼 수 있다. 첫 뇌격의 뒤를 따르는 뇌격들은 빠른 출현시간을 가지는 대신 낮은 진폭을 가진다. 이 스트로크는 보통 이전에 사용되었던 방전통로를 다시 이용하지만, 이 통로는 바람에 의해 움직여 상쇄되어 사라질 수도 있다.

유타주(Utah) 캐니언랜즈 국립공원(Canyonlands National Park)에서 발생한 번개의 4초짜리 영상


전형적인 구름에서 지면으로 내려치는 번개는 공기 중에 전기적으로 전도성이 있는 플라즈마 채널을 형성하는 것으로 끝나는데, 이 채널은 구름 속에서 지표면까지 5km가 넘는 높이에 이른다.

슬로우 모션으로 본 구름에서 지면으로 내려치는 번개

3. 3. 기타 번개

밤에 멀리서 발생한 낙뢰에 의한 번개가 구름에 반사되는 현상 및 구름 내 방전에 의해 뇌운 자체가 빛으로 보이는 현상을 막전(幕電)이라고 부른다.[166] 뇌운으로부터 15km 이상 떨어져 있는 경우 등, 번개만으로 뇌명이 확인되지 않는 경우를 가리키는 경우가 많다.

막전은 상공이 맑더라도 확인할 수 있으며, 강한 섬광에 비해 뇌명이 들리지 않는다는 등의 이유로, 종종 거시적 이상 현상이 아닌가 여겨지기도 한다.

최근(1980년대 이후)에는 대규모 낙뢰와 함께 발생하는 스프라이트 등, 구름 위 약 20~100km 상공의 성층권·중간권·하부열권에서 발생하는 방전에 의한 발광 현상도 발견되고 있다. 은 제거한다.

대기 중으로 높이 솟아오른 화산 물질이 번개를 유발할 수 있습니다.


화산 활동은 여러 가지 방식으로 번개가 발생하기 쉬운 조건을 만든다. 대량의 분쇄된 물질과 가스가 폭발적으로 대기 중으로 분출되어 밀도 높은 입자 플룸을 생성한다. 화산 플룸 내부의 재 밀도와 끊임없는 움직임은 마찰 상호 작용(정전기 유도)에 의해 전하를 생성하여 구름이 스스로 중성화되려고 할 때 매우 강력하고 빈번한 번개를 발생시킨다. 일반적인 뇌운의 수분이 풍부한 전하 발생 지역과 달리 광범위한 고체 물질(재) 함량 때문에 종종 더티 썬더스톰(dirty thunderstorm)이라고 불린다.[99]

  • 서기 79년 베수비오 화산 폭발 당시 플리니우스 2세가 화산 플룸에서 강력하고 빈번한 번개를 목격했다.[99]
  • 마찬가지로 화산 사면의 분출구에서 나오는 증기와 재는 최대 2.9km 길이의 더 국지적이고 작은 번개를 생성할 수 있다.
  • 최근 새로 분출된 마그마 근처에서 관찰된 작고 짧은 지속 시간의 스파크는 물질이 대기 중으로 들어가기 전에도 높은 전하를 띠고 있음을 보여준다.[100]

화산재 플룸이 어는점 이하의 온도로 상승하면 얼음 입자가 형성되어 재 입자와 충돌하여 대전을 일으킨다. 어떤 폭발에서도 번개를 감지할 수 있지만, 재 속 얼음 입자로 인한 추가적인 대전은 더 강한 전기장과 더 높은 번개 감지율을 초래할 수 있다. 번개는 또한 위험한 분출을 감지하기 위한 화산 감시 도구로도 사용된다.[101]

번개는 황사(dust storm), 산불(forest fires), 토네이도(tornado), 화산(volcano) 화산 폭발(volcanic eruptions), 심지어 겨울철 추위 속에서도 발생할 수 있는데, 이때의 번개는 눈번개(thundersnow)로 알려져 있다.[28][29]

2019-2020년 호주 산불 시즌에서 볼 수 있었던 것과 같은 강렬한 산불은 번개와 기타 기상 현상을 생성하는 자체적인 기상 시스템을 만들어낼 수 있다.[102] 산불의 강렬한 열로 인해 연기 기둥 내부의 공기가 빠르게 상승하여 화산성 적란운이 형성된다. 이러한 난류성 상승 기류에 의해 차가운 공기가 빨려 들어와 기둥을 식히는 데 도움을 준다. 상승하는 기둥은 고도가 높아짐에 따라 대기압이 낮아짐으로써 더욱 냉각되고, 그 안의 수분이 구름으로 응결된다. 화산성 적란운은 불안정한 대기에서 형성된다. 이러한 기상 시스템은 건조 번개, 화재 토네이도, 강풍 및 먼 우박을 생성할 수 있다.[102]

4. 번개의 물리적 특성

번개는 뇌운과 지표면, 또는 뇌운 사이에서 발생하는 대규모 방전 현상이다. 뇌운은 마찰전기 효과 등에 의해 대전되며, 뇌운과 지표면 사이에 충분한 전위차가 발생하면 공기의 절연이 파괴되어 번개가 발생한다.

구름과 지표면 사이의 번개(CG)는 뇌운이 음으로 대전되고 지표면이 양으로 대전되어 전기장이 형성되면서 발생한다. 이 전기장의 세기가 대기의 부도체적 특성을 넘어서면 뇌격, 즉 방전 현상이 발생한다.

뇌격은 뇌운의 음전하가 하강하는 선구적 형태(리더)로 시작하여, 이온화된 공기 채널을 통해 지표면으로 이동한다. 지표면에서는 양으로 대전된 상승기류가 형성되고, 이 둘이 연결되면 저항이 낮은 경로를 통해 방전이 일어난다. 이 과정을 통해 복귀 뇌격이 발생하며, 이는 번개에서 가장 밝게 빛나는 부분이다.

번개는 다음과 같은 다양한 물리적 특성을 갖는다.


  • 전류 및 전압: #전류 및 전압 하위 섹션 참조.
  • 온도: #온도 하위 섹션 참조.
  • 천둥: 방전 과정에서 발생하는 급격한 공기 팽창으로 인해 천둥이 동반된다. 자세한 내용은 #천둥 하위 섹션 참조.
  • 전자기파 방출: 넓은 범위의 전자기파를 방출하며, 이로 인해 라디오 잡음, X선, 감마선 등이 관측되기도 한다. 자세한 내용은 #전자기파 방출 하위 섹션 참조.
  • 질소 고정: 대기 중 질소와 산소를 반응시켜 질소산화물을 생성하며, 이는 질산염 형태로 지표면에 공급되어 식물의 영양분으로 활용된다. 자세한 내용은 #질소 고정 하위 섹션 참조.


번개는 발생 위치에 따라 구름 내부, 구름 사이, 구름과 지면 사이 등 다양한 형태로 나타날 수 있다.

4. 1. 전류 및 전압

구름과 지표면 사이의 번개(Cloud to Ground, CG)는 뇌운의 음전하와 지표면의 양전하 사이에서 발생하는 방전 현상이다. 뇌운에서 음전하가 하강하는 선구적인 형태인 리더(Leader)가 나타나고, 지표면에서는 양으로 대전된 이온 통로인 상승기류가 형성된다. 이 둘이 연결되면 저항이 낮은 경로가 형성되어 방전, 즉 복귀 뇌격이 일어난다.[60] 복귀 뇌격은 지표면에서 뇌운으로 올라가는 전류로, 번개 방전에서 가장 밝게 빛나는 부분이다.

복귀 뇌격의 전류는 평균 30kA이며, 이 전류는 리더를 가열하여 플라즈마 통로를 형성한다. 이 플라즈마 중심부 온도는 50000K를 넘고, 이 열로 인한 기체 팽창은 천둥을 발생시킨다.[64] 번개는 보통 3~4개, 최대 30개의 뇌격으로 구성되며, 각 뇌격은 이전 방전 통로를 재사용하지만 바람에 의해 상쇄될 수 있다.[65]

일반적으로 구름과 지표면 사이 번개의 전류는 1~10ms 만에 최고점에 도달하고 50~200ms 동안 감쇠한다. 빠르게 변하는 전류는 표피 효과에 의해 도체 표면에 흐르려는 성질이 있어, 시설 보호를 위해 표면적을 최대화하는 다심선 도체를 사용한다. 또한, 전자기 펄스(EMP)를 방출하여 전자기기를 파괴하는 "서지(Surge)"를 유발할 수 있으므로, 서지 보호기를 사용하여 장비를 보호한다.[69]

번개는 전류 방향에 따라 양극성과 음극성으로 분류된다. 대부분의 번개는 음극성이며, 음전하가 지면으로 이동한다. 양극성 번개는 전자가 위로 이동하며, 음극성 번개보다 더 강력하고 위험하다.[72] 양극성 번개는 최대 전류와 지속 전류가 모두 높아 화재 발생 가능성이 크고, 맑은 공기에서 멀리 전파되어 "푸른 번개"로 불린다.

구름-대-구름(CC) 번개와 구름 내(IC) 번개도 존재한다. IC 번개는 가장 흔하며, 구름 내 다른 전위 영역 사이에서 발생한다.

4. 2. 온도

복귀 뇌격 중 플라스마의 핵심 온도는 약 10.0°C을 초과할 수 있으며,[64] 밝은 청백색으로 방사된다. 전류가 흐르지 않으면 채널이 식고 수십 또는 수백 밀리초에 걸쳐 소멸되어 종종 희미하게 빛나는 가스의 파편으로 사라진다. 복귀 뇌격 중 거의 순간적인 가열로 인해 공기가 폭발적으로 팽창하여 강력한 충격파를 생성하는데, 이것이 천둥으로 들린다.

4. 3. 천둥 (Thunder)

뇌운이 음으로 대전되면 지표면에는 양의 전하가 대전된다. 이 두 부분의 전하량이 증가하면 전기장의 세기도 증가한다. 이 전기장이 대기의 부도체적 특성을 넘어서면 뇌운에서 지표면으로 뇌격, 즉 방전 현상이 발생한다.

뇌격은 복잡한 과정을 거친다. 뇌운의 음전하가 하강하는 선구적 형태가 나타나고, 이온화된 공기 채널(리더)이 발생한다. 음으로 대전된 리더는 지표면으로, 양으로 대전된 리더는 반대 방향으로 움직이며 나뭇가지 모양을 만든다. 특히 음의 리더는 불연속적으로 진행하며, 이를 계단형 선도라고 한다.

계단형 선도가 지표면에 도달하면, 지표의 양전하는 전기장 세기를 증가시킨다. 전기장이 충분히 강하면, 상승기류(양으로 대전된 이온 통로)가 형성된다.

하강기류와 상승기류가 연결되면 저항이 낮은 경로가 형성되어 방전이 일어난다. 이때 상승기류와 연결되지 못한 하강기류는 번개의 가지 부분으로 나타난다.

방전은 복귀 뇌격부터 시작된다. 전도성 통로가 형성되면 엄청난 양의 전하가 방출되고, 지표면에서 뇌운으로 전류가 올라간다. 이것이 복귀 뇌격이며, 번개에서 가장 밝게 빛나는 부분이다.

지상의 양전하는 타격 지점으로 이동하며 중화되고 구름으로 돌아간다. 전류의 급격한 상승은 계단형 전위를 만든다. 복귀 뇌격 전류는 평균 30kA이며, 리더를 가열하여 플라스마 통로를 형성한다. 복귀 뇌격 동안 플라스마 온도는 50000K를 넘고, 기체 팽창은 천둥과 같은 충격파를 만든다. 번개는 3~4개, 최대 30개까지의 뇌격으로 이루어지며, 뒤따르는 뇌격은 낮은 진폭을 가진다. 이들은 이전 방전통로를 이용하지만, 바람에 의해 사라질 수도 있다.

번개는 방전 채널의 "시작점"과 "종착점"에 따라 세 가지 주요 유형으로 분류된다.

  • 구내 번개(IC) 또는 구내 방전은 단일 뇌운 내에서 발생한다.
  • 운간 번개(CC) 또는 운간 방전은 두 개의 서로 다른 "기능적" 뇌운 단위 사이에서 시작되고 끝난다.
  • 구름 대 지면 번개(CG)는 주로 뇌운에서 시작하여 지표면에서 끝나지만, 반대 방향(지면 대 구름)으로 발생할 수도 있다.


방전 현상이 발생할 때 나는 소리가 천둥이다. 이것은 방전로가 가열되어 공기가 급격히 팽창, 음속을 초과하는 충격파가 발생하고 음파로 변환된 것이다.[172]

리턴 스트로크(주뢰격) 단계에서 발생한다. 주뢰격 시작 후 1마이크로초 후에는 방전로 대기의 온도가 국소적으로 2~3만 ℃라는 고온에 도달하여 일시적으로 10기압 정도가 되어 충격파가 발생한다.[166]

번개가 내뿜는 빛은 광속으로 전달되므로 거의 순간적으로 도달한다. 이에 비해 천둥은 음속으로 전달되므로, 소리가 전달되는 시간만큼 번개보다 늦게 도달한다. 따라서 번개가 발생한 곳이 멀수록 번개와 천둥 사이의 시간이 길어지고, 그 시간을 재면 대략적인 거리도 알 수 있다.

발생 지점까지의 거리(자신을 중심으로 한 반지름)를 ''P''(킬로미터), 번개가 번쩍인 후(혹은 라디오에 펄스 잡음[173]이 들어온 후) 천둥이 들릴 때까지의 시간을 ''S''(초)라고 하면, 다음과 같이 나타낼 수 있다. 상수 0.34는 기온을 15℃로 했을 때의 킬로미터 매초로 나타낸 음속이다.

:P=\, 0.34S

천둥이 들리는 거리는 일반적으로 약 10~15km이지만, 뇌운 외부로의 방전이 있는 경우에는 뇌운에서 30km 이상 떨어져 있어도 천둥이 들리는 경우가 있다.

매우 가까이에 낙뢰가 있으면, 우르릉거리는 소리 직전에 약간 작은 찌릿찌릿, 파르르 하는 천을 찢는 듯한 소리 또는 탁 하는 날카로운 소리가 들리는 경우가 있다. 이 소리는 선행 방전 등에 의한 것으로 생각된다. 낙뢰 지점에서 멀어지면 이 소리는 들리지 않는다.

멀리 떨어진 곳에 낙뢰가 있을 때의 우르릉거리는 굉음은, 방전이 가지를 치면서 진행함으로써 서로 다른 장소에서 여러 음파가 간섭하여 저주파수의 소리가 전달되는 것으로 여겨지며, 또는 상공의 기온 분포가 복잡하기 때문에 소리가 길게 들리는 것으로 여겨지기도 한다.

4. 4. 전자기파 방출

번개 방전은 넓은 주파수 대역의 전자기파를 방출한다. 가까운 예로, 번개에서 발생하는 노이즈[187]가 라디오에서 수신되는 경우가 있다. 원리적으로 AM 라디오는 감도가 높고, FM 라디오는 감도가 낮다.

번개 방전 고도가 낮은 겨울철 일본 해안의 원자력 발전소 등에서 번개와 동시에 X선이나 감마선과 같은 방사선 값의 일시적인 상승이 관측되기도 한다. 이를 통해 번개가 방사선을 방출한다는 것이 밝혀졌다.[188] 한편, 우주선 등 외부에서 들어온 방사선이 제동복사를 유발하여[189] 번개 방전을 촉진시킨다는 연구도 있다.[190]

번개 방전은 고주파 펄스를 생성하며, 이는 수천 킬로미터 떨어진 곳에서도 대기 전파 신호 및 휘슬러 (전파)로 수신될 수 있다.

번개에 의한 X선 생성은 1925년 초 C.T.R. 윌슨에 의해 예측되었으나,[88] 2001년/2002년까지는 아무런 증거가 발견되지 않았다.[89][90][91] 뉴멕시코 광산기술대학교 연구원들이 폭풍 구름 속으로 발사된 로켓 뒤에 끌려온 접지된 와이어를 따라 유도된 번개에서 X선 방출을 감지했을 때였다. 같은 해 플로리다 대학교와 플로리다 기술대학교 연구원들은 북플로리다의 번개 연구 시설에서 전기장과 X선 검출기 어레이를 사용하여 자연 번개가 계단형 선두의 전파 동안 다량의 X선을 생성한다는 것을 확인했다. X선 방출의 원인은 여전히 연구 대상이며, 번개의 온도는 관측된 X선을 설명하기에는 너무 낮다.[92][93]

우주 기반 망원경에 의한 여러 관측은 더 높은 에너지의 감마선 방출, 소위 지상 감마선 섬광(TGFs)을 밝혀냈다. 이러한 관측은 특히 번개에서 생성된 반물질의 명확한 신호가 최근 발견됨에 따라 현재의 번개 이론에 도전 과제를 제시한다.[94] 최근 연구에 따르면 이러한 TGF에 의해 생성된 전자, 양전자, 중성자 또는 양성자와 같은 2차 입자는 최대 수십 MeV의 에너지를 얻을 수 있다.[95][96]

4. 5. 질소 고정

번개는 대기 중 방전을 통해 질소와 산소를 반응시켜 질소산화물을 생성한다. 이 과정을 질소고정이라고 한다. 질소산화물은 더 나아가 산소와 반응하여 질산으로 변한다.[191] 질산은 지상으로 내려와 질산염을 생성하며, 이는 식물이 영양분으로 활용할 수 있는 물질이다.[192][193]

5. 번개의 관측

근대 기상관측에서는 관측소의 날씨 관측에 번개 관측이 포함되어 육안 관측이 계속되어 왔다. 한편, 기상레이더(雷検知器(번개 검출기)) 관측이 확대되면서 점차 대체되고 있다. 일본에서는 1990년대 후반부터 2000년대에 걸쳐 측후소에서, 2010년대 후반에는 대부분의 지방기상대에서 육안 번개 관측이 폐지되고 기상레이더에 의한 번개 검출로 대체되었다.[174][175]

낙뢰 피해와 관련된 화재보험에서는 피해를 과학적으로 뒷받침하기 위해, 관측 기록을 바탕으로 기상대가 번개에 관한 “기상 증명”을 발행하고 있다. 민간에도 유사한 서비스가 있다.[176]

국제 기상 통보식[177]에서는 번개 관측 여부(관측 직전 10분간), 관측 시 없더라도 직전 1시간 이내에 있었는지 여부, 번개의 3단계 강도, 강수 동반 여부, 비나 눈의 3단계 강도 등의 조합으로 구분되는 날씨에서 선택하여 보고한다. 자동 관측의 경우 약간 다른 구분이 된다. 번개는 섬광과 천둥을 관측한 것을 가리킨다. 기본 기호는 번개(천둥 없음)가 (--), 번개와 천둥이 (--)이다.[178][179][180]

항공기상 통보식[181]에서는 “특성” 란의 TS가 번개를 나타내며, 강수 현상 란의 RA(비) 등과 조합하거나 단독으로 사용한다.[182]

라디오 기상통보 등의 일본식 날씨도에서는 관측 시 직전 10분간에 번개(섬광과 천둥) 또는 천둥이 관측되었을 때, 날씨를 번개로 표기한다. 날씨 기호는 번개(--), 번개 강함(--ツ)이다. 강우나 강설, 우박이나 진눈깨비가 관측되어도 번개가 가장 우선순위가 높기 때문에 단순히 번개로 한다.[183] 번개 강함 기호는 1988년에 눈 강함과 함께 추가되었다.

기상청은 국내 주요 관측 지점에서 낙뢰 일수를 집계하여 발표하고 있다. 일본해 측 기후인 일본해 연안 각지에서는 겨울 낙뢰가 많다. 기상청 통계에 따르면 아키타 31.4일, 니가타 34.8일, 토야마 32.2일, 가나자와 42.4일, 후쿠이 35.0일, 돗토리 26.4일, 마쓰에 25.4일, 후쿠오카 24.7일[198] 등 일본 국내에서는 낙뢰, 특히 겨울 낙뢰가 많은 지역이다. 한편, 기상관측소에서는 2010년 10월에 무인화 관측을 실시했기 때문에 낙뢰 일수를 폐지했다.

기상청 통계에 따르면, 1년 동안 낙뢰 일수가 가장 많았던 곳은 이시카와현가나자와시에서 기록한 2005년의 72일이다.

;연간 낙뢰 일수 상위 기록 (통계 기간 1981년-2010년, 기상관서만)

순위낙뢰 일수관측 지점온난기한랭기
1위42.4일이시카와현가나자와시12.3일31.1일
2위35.0일후쿠이현후쿠이시11.6일23.4일
3위34.8일니가타현니가타시11.7일23.1일
4위32.2일토야마현토야마시16.5일15.7일
5위31.4일아키타현아키타시10.9일20.5일
6위26.6일쿠마모토현쿠마모토시22.0일4.6일
7위26.4일돗토리현돗토리시12.6일13.8일
8위25.4일시마네현마쓰에시12.6일12.8일
9위25.1일가고시마현가고시마시18.8일6.3일
10위24.8일도치기현우쓰노미야시22.6일2.2일
참고12.9일도쿄도치요다구10.8일2.1일


  • 온난기는 4월-9월, 한랭기는 10월-3월의 낙뢰 일수를 나타낸다.


;연간 낙뢰 일수 하위 기록 (통계 기간 1981년-2010년, 기상관서만)

순위낙뢰 일수관측 지점
1위4.9일홋카이도오비히로시
홋카이도쿠시로시
3위6.8일홋카이도아바시리시
4위8.8일홋카이도삿포로시
5위9.3일미야기현센다이시
6위10.2일홋카이도아사히카와시
7위11.2일홋카이도와카나이시
8위11.8일와카야마현와카야마시
9위11.9일오카야마현오카야마시
10위12.2일홋카이도하코다테시



쇼와기지(남극)에서는 낙뢰 일수가 0.0일로 관측되지 않았다.

6. 번개의 피해와 예방

번개는 인명 피해, 건물 및 시설물 손상, 산불 등 다양한 피해를 유발할 수 있다. 특히 낙뢰는 직접적인 인명 피해를 야기할 수 있으므로, 뇌우 발생 시 야외 활동을 자제하고 안전한 실내로 대피해야 한다.

번개는 주로 따뜻한 공기가 차가운 공기 덩어리와 섞일 때 발생하며,[26] 이로 인해 대기를 극성화하는 데 필요한 대기 불안정이 발생한다.[27] 황사, 산불, 토네이도, 화산 폭발 뿐만 아니라, 겨울철 추위 속에서도 발생할 수 있는데, 이때의 번개는 눈번개로 알려져 있다.[28][29] 허리케인은 일반적으로 중심에서 160km 떨어진 강우대에서 많은 번개를 발생시킨다.[30][31][32]

번개는 때때로 지면에 존재하는 구조물에 피해를 입힐 수 있으며, 일반적인 뇌우는 1분에 세 번 이상 지구로 번개를 친다.[25]

번개로 인한 주요 피해 사례는 다음과 같다:


  • 1975년 로디지아(Rhodesia)에서 피난처로 삼았던 오두막에 낙뢰가 쳐 21명이 사망했다.[159]
  • 1994년 드론카 낙뢰 사건: 이집트 드론카(Dronka)에서 낙뢰가 기름 저장탱크에 쳐 불이 나면서 마을에 불타는 기름이 범람하여 469명이 사망했다.[159]


미국에서는 2012년부터 2021년까지 매년 평균 23명이 낙뢰로 사망했다.[160]

6. 1. 낙뢰 피해 예방

일반적으로 번개 방전 내 전류의 과도 현상은 지상 구조물의 효과적인 보호를 위해 고려해야 할 몇 가지 현상을 초래한다. 빠르게 변하는 전류는 표피 효과라고 하는 현상에 의해 도체 표면을 따라 흐르는 경향이 있다. 따라서 시설 보호에 사용되는 도체는 가는 전선들이 엮여 있는 다심선으로 구성되는 경우가 많다. 이는 고정된 총 단면적에 대해 개별 가닥 반지름에 반비례하여 총 다발 표면적을 증가시킨다.[69]

빠르게 변하는 전류는 또한 이온 채널에서 바깥쪽으로 방사되는 전자기 펄스(EMP)를 생성한다. 이것은 모든 전기 방전의 특징이다. 방사된 펄스는 원점으로부터의 거리가 증가함에 따라 빠르게 약해진다. 그러나 전력선, 통신선 또는 금속 파이프와 같은 전도성 요소를 통과하는 경우, 종단까지 바깥쪽으로 이동하는 전류를 유도할 수 있다. 서지 전류는 서지 임피던스와 반비례하며, 임피던스가 높을수록 전류는 낮아진다.[69] 이것이 대부분의 경우 민감한 전자 기기, 전기 기구, 또는 전동기의 파손을 초래하는 전압 서지이다. 이러한 회로에 병렬로 연결된 서지 보호기(SPD) 또는 과도 전압 서지 억제기(TVSS)라고 하는 장치는 번개 방전의 과도한 불규칙 전류를 감지하고, 물리적 특성을 변경하여 스파이크를 연결된 접지로 전달하여 장비를 손상으로부터 보호한다.

7. 번개와 관련된 문화

옛 일리이 지방 자치단체 문장에 그려진 두 개의 번개


뇌신 (오가타 고린 그림)


많은 문화권에서 번개는 신의 징후, 신의 일부, 또는 신 그 자체로 여겨져 왔다. 대표적인 예로는 그리스 신화의 제우스, 아즈텍 신화의 틀랄로크, 마야 신화의 신 K, 슬라브 신화의 페룬, 발트 신화의 페르콘스/페르쿠나스, 노르드 신화의 토르, 핀란드 신화의 우코, 힌두교의 인드라, 요루바 신화의 산고, 잉카 신화의 일라파, 신토의 라이진 등이 있다.[149] 고대 에트루리아인들은 특정 날짜나 장소에서 발생하는 천둥, 번개가 보여주는 징조를 바탕으로 미래를 예측하는 브론토스코피와 풀구랄 점술에 대한 지침서를 만들었다.[150][151] 천둥과 번개를 이용한 점술은 케라우노스코피[152]라고도 불리며, 기상점의 일종이다. 아프리카 반투족 부족들의 전통 종교에서는 번개가 신들의 분노를 나타내는 징후로 여겨진다. 유대교, 이슬람교, 기독교 경전에서도 번개는 초자연적인 중요성을 가진다. 기독교에서는 예수의 재림을 번개에 비유하기도 한다.[153]

"번개가 같은 곳에 두 번 떨어지지 않는다"라는 말은 비유적으로 사용되지만, 일반적인 속설일 뿐이다. 실제로는 번개가 같은 곳에 한 번 이상 떨어지는 경우가 많다. 뇌우 중 번개는 눈에 잘 띄거나 전도성이 좋은 물체, 장소에 떨어질 가능성이 높다. 예를 들어, 뉴욕시의 엠파이어 스테이트 빌딩에는 평균적으로 매년 23번의 번개가 친다.[154][155][156]

프랑스어와 이탈리아어에서 "첫눈에 반함"은 각각 ''coup de foudre''와 ''colpo di fulmine''으로 표현되는데, 이는 직역하면 "번개가 치다"라는 뜻이다. 일부 유럽 언어에는 땅에 떨어지는 번개를 가리키는 별도의 단어가 있으며, 이는 영어 단어 "rays"(광선)의 동족어인 경우가 많다. 호주의 유명한 경주마 파 랩(Phar Lap)의 이름은 번개를 의미하는 장족어와 태국어에서 유래했다.[157]

문장학에서 번개는 천둥번개(thunderbolt)라고 불리며, 끝이 뾰족하지 않은 지그재그 모양으로 표현된다. 이 기호는 일반적으로 힘과 속도를 나타낸다. 싱가포르의 인민행동당, 1930년대 영국 파시스트 연맹, 1950년대 미국 국가 주권당 등 일부 정당은 힘의 상징으로 번개를 사용한다.[158] 나치당의 준군사조직인 Schutzstaffel(돌격대)는 로고에 번개를 상징하는 시그룬을 사용했다. "번개 전쟁"을 뜻하는 독일어 단어 Blitzkrieg(블리츠크리그)는 제2차 세계 대전 중 독일군의 주요 공세 전략이었다. 번개는 전 세계 군사 통신 부대의 일반적인 표장이자 NATO 신호 자산 상징이기도 하다.

일본어에서 '번개'를 뜻하는 「いなずま」 또는 「いなづま」( 현대 가나 사용에서는 「いなづま」도 허용됨)는 벼가 개화하여 결실하는 음력 여름에서 가을 초에 비와 함께 벼락이 자주 발생하고, 벼 이삭이 벼락에 감응하여 여문다는 믿음에서 유래했다. 벼락을 벼와 관련지어 '벼의 짝(배우자)'으로 이해하여 「벼락」(いなづま) 또는 「벼광」(いなびかり) 등으로 부르게 되었다는 설이 있다. 낙뢰로 인해 대기 중 질소가 논밭에 고정되어 수확량이 증가한다는 설도 있다. 일본서기에는 「뇌전(イナツルヒ)」으로 기록된 사례가 있어, 나라 시대부터 벼락과 벼의 연관성을 엿볼 수 있다.[167]

일본어 「かみなり」는 옛날에 벼락을 신이 내리는 것으로 믿었기 때문에 '신의 소리'라고 불렀던 것에서 유래했다. 예로부터 번개는 신과 연결되어 생각되는 경우가 많았다. 그리스 신화의 제우스, 로마 신화의 유피터(Jupiter), 브라만교의 인드라는 하늘의 뇌신이자 최고신이다. 북유럽 신화의 토르도 고대에는 최고신이었으나, 시대가 흐르면서 오딘이 최고신으로 여겨졌다. 말레이 반도 열대 우림의 세망족에게 번개는 창조를 다스리는 최고신이며, 인도차이나 반도에서 남중국에 이르기까지는 적을 멸하기 위해 돌도끼를 가지고 하늘에서 내려오는 신(뇌공)으로서 낙뢰를 숭배했다.

유럽에서는 상수리나무가 낙뢰를 받기 쉬운 나무로 여겨져 제우스, 유피터, 토르가 머무는 나무로 숭배되었다. 유럽 농민들은 주거 근처에 상수리나무를 심어 피뢰침 대용으로 사용했고, 개, 말, 가위, 거울 등도 번개를 부르기 쉽다고 믿어 뇌우가 가까워지면 숨기는 경향이 있었다. 뇌우 시에 동물이 자주 나타나는 것에서 라이초나 뇌수의 개념이 생겨났다. 미국 인디언 사이에서는 날갯짓으로 천둥과 번개를 일으키는 거대한 조류(썬더버드)가 존재한다고 믿었다.

일본 신화에서도 번개는 최고신으로 대우받지는 않았지만, 천둥을 "신명(かみなり)"이라고 부르는 것에서 알 수 있듯이 신들의 짓으로 여겨졌다. 천신 중 한 명으로 덴손강림 전에 아시하라노나카츠쿠니를 평정한 타케미카즈치(建雷命, 建御雷, 武甕槌)는 뇌신의 대표적인 예이다. 번개(뢰전)를 모신 신사로는 뢰전신사, 타카이카즈치 신사 등이 있으며, 화뢰대신(ほのいかづちのおおかみ), 대뢰대신(おおいかづちのおおかみ), 별뢰대신(わけいかづちのおおかみ) 등을 신으로 모시고 있다.

일본에서는 방언으로 번개를 "칸다치"라고도 하는데, 이는 "신이 나타나다", 즉 신이 현현한다는 뜻이다. 앞서 언급한 번개의 어원에서 볼 수 있듯이 번개는 벼와 관련되어 있다. 일본현보선악령이기나 이마요키모노가타리에 따르면, 번개는 논에 물을 주고 하늘로 돌아가는 신이었기 때문에, 지금도 농촌에서는 번개가 떨어지면 "번개님을 자신의 논으로 맞이한다"[167]는 의미로 푸른 대나무를 세우고 시메나와를 치거나 고헤이를 세워 신을 모시는 지역이 있다.

뇌신은 헤이안 시대에 천신의 권속신으로서 낮은 지위를 차지하게 되었다. 번개가 치면 낙뢰를 피하기 위해 "쿠와바라, 쿠와바라"라고 주문을 외우는 풍습이 있는데, 이는 스가와라 미치자네의 영지였던 "쿠와바라"에는 번개가 떨어지지 않았다는 이야기에 유래한다. 헤이안 시대에 후지와라 일족에게 유배당한 미치자네가 원한을 풀기 위해 뇌신이 되어 궁궐에 여러 번 번개를 떨어뜨려 후지와라 일족에게 큰 타격을 입혔는데, 이때 쿠와바라만 낙뢰가 없었기 때문에 사람들이 번개를 피하기 위해 "쿠와바라, 쿠와바라"라고 외치게 되었다고 한다. 스가와라 씨의 계보를 잇는 공가에 쿠와바라가가 있으며, 스가와라 씨는 "쿠와바라" 지명을 미치자네와 연관된 것으로 생각했음을 알 수 있다. 스가와라 미치자네와 관련된 쿠와바라 외에도 효고현 산다시 쿠와바라의 긴쇼지, 오사카부 와이즈시 쿠와바라의 사이후쿠지 등 각지에 번개가 떨어지지 않는다는 이야기가 전해진다. "쿠와바라, 쿠와바라"라고 외치는 것은 뽕나무가 신성한 힘을 지닌다는 신앙 때문이라고도 생각된다.

뇌신은 옛날부터 미술 작품에 표현되어 왔는데, 그림으로는 교토 켄닌지의 타와라야 소타츠가 그린 벽화, 겐로쿠 시대 오가타 고린의 작품 등이 유명하고, 조각으로는 닛코 토쇼구, 교토 삼십삼간당 등의 작품이 유명하다.

하이쿠에서 “춘뢰(春雷)”는 봄의 계절어, “뢰(雷)”, “원뢰(遠雷)”, “경뢰(軽雷)”는 여름의 계절어, “稲妻(이나즈마)”는 가을의 계절어, “한뢰(寒雷)”는 겨울의 계절어이다. 역학에서는 "번개"라는 현상을 "雷(우레)"와 "電(번개)"의 두 부분으로 나누어 조합한 것이다. 여기서 "雷"는 "雷鳴(천둥소리)"만을 가리키며, "電"은 "稲妻(번갯불)", 즉 빛 부분을 가리킨다.

  • "雷"는 팔괘 중 "震(진)"에 해당하며, 목기(木氣)이고 동쪽을 가리킨다.
  • "電"은 팔괘 중 "離(이)"에 해당하며, 화기(火氣)이고 남쪽을 가리킨다.


육십사괘의 "雷火豊(뇌화풍)"과 "火雷噬嗑(화뢰서합)"의 "火"는 "電"을 의미한다.

  • 付和雷同
  • 청천벽력(靑天の霹靂)
  • 지진, 번개, 화재, 아버지(地震、雷、火事、親父)
  • 전광석화(電光石火)
  • 벼락이 많은 해는 풍년([207])

8. 한반도 지역의 번개

일본 간토 지방 북부(도치기현, 군마현, 사이타마현 북부, 이바라키현)는 특히 여름에 낙뢰가 많아 '번개의 은행가' 등으로 불릴 정도이다. 낙뢰 보험 요율도 다른 지역에 비해 높다.[198] 군마현은 "마누라가 집안을 다스리고 바람이 세차게 분다"는 말에 더해 낙뢰도 명물로 알려져 있다. 우쓰노미야시에서는 여름에 많아지는 낙뢰를 '번개 도시(雷都)'라는 지역 애칭으로 활용하여, 채권이나 기념품 과자 이름 등에 사용하고 있다.

북륙지방이나 니가타현, 야마가타현 쇼나이 지방, 아키타현 등 일본해 연안에서는 겨울철에 낙뢰가 많이 발생하여 겨울철 낙뢰라고 불린다. 겨울철 낙뢰는 지면에서 적란운을 향해 위쪽으로 방전하며, 발생 고도도 300~500미터로 낮다. 낙뢰 횟수는 적지만 여름철 낙뢰보다 수백 배의 에너지를 가진 것이 확인되며, 하루 종일 낙뢰가 발생하는 경우가 많고 눈이나 우박을 동반하는 경우가 많다. 해안선에서 35킬로미터 이상 내륙부에서는 적게 발생한다.[198]

겨울철 낙뢰에는 "눈 일으키기", "방어 일으키기", "눈 낙뢰"와 같은 방언이 있으며, 특히 눈 일으키기가 관측되면 겨울의 시작이라고 전해진다. 겨울철 낙뢰는 일본해 연안부와 노르웨이의 노르웨이해 연안부, 북미의 오대호 동쪽에서만 발생하며, 세계적으로 매우 드문 기상 현상이다.

기상청은 국내 주요 관측 지점에서 낙뢰 일수를 집계하여 발표하고 있다. 간토 지방 내에서 북관동은 낙뢰 일수가 비교적 많은 지역이며, 특히 여름철 낙뢰가 특징이다. 도쿄도의 연간 낙뢰 일수는 12.9일(여름 9.7일), 요코하마시는 12.6일(여름 8.2일)인 반면, 북관동 4현(우쓰노미야시 24.8일(여름 20.9일), 마에바시시 20.4일(여름 18.9일), 구마가야시 19.7일(여름 17.3일), 미토시 16.7일(여름 13.1일))은 남관동에 비해 많다.[198]

일본해 측 기후인 일본해 연안 지역은 겨울 낙뢰가 많다. 아키타시 31.4일, 니가타시 34.8일, 도야마시 32.2일, 가나자와시 42.4일, 후쿠이시 35.0일, 돗토리시 26.4일, 마쓰에시 25.4일, 후쿠오카시 24.7일[198] 등 일본 국내에서는 낙뢰, 특히 겨울 낙뢰가 많은 지역이다. 2010년 10월 이후 기상관측소에서는 무인화 관측으로 낙뢰 일수 관측을 폐지했다. 기상청 통계에 따르면, 1년 동안 낙뢰 일수가 가장 많았던 곳은 이시카와현 가나자와시에서 기록한 2005년의 72일이다.

;연간 낙뢰 일수 상위 기록 (통계 기간 1981년-2010년, 기상관서만)

순위낙뢰 일수관측 지점온난기한랭기
1위42.4일이시카와현가나자와시12.3일31.1일
2위35.0일후쿠이현후쿠이시11.6일23.4일
3위34.8일니가타현니가타시11.7일23.1일
4위32.2일도야마현도야마시16.5일15.7일
5위31.4일아키타현아키타시10.9일20.5일
6위26.6일구마모토현구마모토시22.0일4.6일
7위26.4일돗토리현돗토리시12.6일13.8일
8위25.4일시마네현마쓰에시12.6일12.8일
9위25.1일가고시마현가고시마시18.8일6.3일
10위24.8일도치기현우쓰노미야시22.6일2.2일
참고12.9일도쿄도지요다구10.8일2.1일


  • 온난기는 4월-9월, 한랭기는 10월-3월의 낙뢰 일수를 나타낸다.


;연간 낙뢰 일수 하위 기록 (통계 기간 1981년-2010년, 기상관서만)

순위낙뢰 일수관측 지점
1위4.9일홋카이도오비히로시
홋카이도구시로시
3위6.8일홋카이도아바시리시
4위8.8일홋카이도삿포로시
5위9.3일미야기현센다이시
6위10.2일홋카이도아사히카와시
7위11.2일홋카이도와카나이시
8위11.8일와카야마현와카야마시
9위11.9일오카야마현오카야마시
10위12.2일홋카이도하코다테시



쇼와 기지(남극)에서는 낙뢰가 관측되지 않았다.

9. 더 알아보기



전형적인 구름에서 지면으로 내려치는 번개는 공기 중에 전기적으로 전도성이 있는 플라스마 채널을 형성하는 것으로 끝나는데, 이 채널은 구름 속에서 지표면까지 5km가 넘는 높이에 이른다.[24] 실제 방전은 매우 복잡한 과정의 마지막 단계이다.[24] 최고조에 달했을 때, 전형적인 뇌우는 1분에 세 번 이상 지구로 번개를 친다.[25]

번개는 주로 따뜻한 공기가 차가운 공기 덩어리와 섞일 때 발생하며,[26] 이로 인해 대기를 극성화하는 데 필요한 대기 불안정이 발생한다.[27]

번개는 황사, 산불, 토네이도, 화산 화산 폭발뿐 아니라, 심지어 겨울철 추위 속에서도 발생할 수 있는데, 이때의 번개는 눈번개로 알려져 있다.[28][29] 허리케인은 일반적으로 중심에서 160km 떨어진 강우대에서 많은 번개를 발생시킨다.[30][31][32] 번개에 맞은 사람의 90%는 생존하지만,[84] 사람들은 내부 장기 및 신경계 손상으로 인해 심각한 부상을 입을 수 있다.

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