번개는 구름 없이는 형성될 수 없으며, 구름이 두꺼울수록 번개가 발생할 확률이 높아집니다.
우리가 알다시피 구름은 수많은 작은 얼음 결정과 물방울로 이루어져 있습니다. 여기에는 구름 속을 자유롭게 이동할 수 있는 많은 수의 하전 입자가 포함되어 있습니다. 이 시점에서 하전 입자는 더 고르게 분포되어 있으므로 형성되는 구름은 전하가 없는 상태입니다.
구름 속의 얼음 결정과 작은 물방울은 지구 중력의 영향을 받아 떨어지지만, 얼음 결정과 물방울은 질량이 매우 작고 공기 저항이 높기 때문에 매우 느리게 떨어집니다.
또한 하강하는 동안 공기와의 마찰로 인해 얼음 결정이나 물방울이 증발하여 물 분자가 위로 떠오르게 됩니다.
다시 말해 구름은 정적인 것이 아니라 항상 동적인 평형 상태를 유지합니다.
구름에는 많은 수의 얼음 결정과 물방울이 포함되어 있으며, 이들은 떨어질 때 필연적으로 마찰을 겪습니다. 우리는 마찰로 인해 자유 전자가 모인다는 것을 알고 있습니다. 이 과정에서 음전하를 띤 전자가 구름 아래에 분포하여 구름 아래의 물질은 음전하를 띠고, 구름 위의 물질은 양전하를 띠게 되어 구름의 양전하와 음전하가 분리됩니다. 이 시점에서 구름은 하전체를 형성합니다.
구름과 지구
구름이 전하를 띠면 지구는 많은 수의 자유 전자를 가진 도체이지만, 도체는 전하가 고르게 분포되어 있기 때문에 전하를 띠지 않습니다.
전하체가 도체에 가까워지면 도체 내의 자유 전자는 외부의 영향을 받아 동성 전하가 서로 반발하고 반대 성질의 전하가 서로 끌어당기게 되어 도체 내의 양전하와 음전하가 분리되고 전하체가 형성됩니다. 농축된 전자 중 하나는 음전하를 형성하고 다른 쪽 끝은 전자가 부족하여 양전하를 형성합니다(전자는 음전하를 띠고 있음). 이것이 정전기 유도 현상입니다.
지구 표면은 구름 아래의 음전하로 인해 양전하가 많을 것입니다. 그러나 지구는 평평하지 않고 높은 건물과 나무 및 기타 돌출된 물체가 있을 것입니다. 이 높은 건물들은 지구와 연결되어 있으며 지구의 일부입니다.
농축 과정에서 양전하가 뾰족한 물체에 집중되는데, 예를 들어 나무 꼭대기는 양전하를 많이 가지고 있습니다. 이 시점에서 팁 방전이 발생하는 경향이 있습니다. 그건 그렇고, 이것은 또한 뇌우시 큰 나무 나 우산 아래에 숨어서는 안되는 이유이기도합니다. 이때 지구의 양전하가 주변의 큰 나무에 집중되기 때문입니다.
끝 방전이 너무 에너지가 많으면 공기를 뚫고 방전 반응을 일으킬 수 있습니다. 방전이 충분히 에너지가 있으면 소닉붐이 생성될 수 있으며, 이것이 번개가 형성되는 방식입니다.
구름은 지구와 방전 반응을 일으킬 뿐만 아니라 다른 구름과도 방전 반응을 일으킵니다. 같은 성질의 전하가 반발하고 반대 성질의 전하가 끌어당겨 다른 구름이 도체에서 공기를 뚫고 에너지를 방출하는 전하체로 바뀌는 원리는 지구와 동일합니다. 그리고 구름과 구름 사이의 방전을 구름 간 방전이라고 합니다.
또 다른 상황은 구름 내 방전입니다. 구름이 충분히 크면 상층의 양전하를 띤 물질이 구름 아래로 내려가 구름 아래의 음전하와 소통하면서 구름 내 방전을 일으킵니다.
구름이 전기를 방출하는 과정에서 공기를 돌파할 때 공기와의 마찰로 인해 구름이 울리는데, 이를 번개라고 합니다.
번개의 위험
번개는 자연 현상이지만 매년 곳곳에서 위험을 초래하는데, 그중에서도 산불을 일으키는 것이 가장 큰 위험입니다. 실제로 번개는 매우 높은 에너지로 인해 화재가 발생합니다. 번개 끝이 방전되는 순간 온도는 섭씨 17,000도에서 28,000도까지 올라가는데, 이는 태양 표면 온도의 3~5배에 해당합니다.
번개가 떨어진 곳에 가연성 물질이 많으면 화재가 발생할 수 있습니다. 이것이 바로 산불이 발생하는 방식입니다. 또한 현재 산불의 99% 이상이 사람이 일으킨 것입니다.
번개는 해롭지만 멀리 떨어져 있으면 상대적으로 안전합니다. 그렇다면 번개가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 어떻게 알 수 있을까요? 사실 아주 간단합니다. 번개가 보이면 마음속으로 5초를 세어보세요. 5초 이내에 번개가 없으면 안전합니다. 빛의 속도와 음속을 이용해 번개와 나 사이의 거리를 판단하는 원리는 간단합니다.
요약
번개가 형성되는 과정은 구름에서 양전하와 음전하가 분리되어 구름에 하전체가 형성되는 것입니다. 하전체가 도체 근처에 있으면 도체에서 양전하와 음전하가 분리되는 것도 끌어당깁니다.
동성 전하끼리 서로 밀어내고 반대 성질의 전하끼리 서로 접근하기 때문에 두 물체 사이의 양전하와 음전하가 서로 끌어당겨 결국 공기를 뚫고 번개를 형성합니다.
번개는 많은 에너지를 운반합니다. 야생 환경에서는 열린 들판에 서 있거나 큰 나무 아래에 숨지 않는 것이 ? 피뢰침?