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낙뢰에 관한 이야기

whowonpark

2011-09-10 (토) 16:55 추천:0 조회:1106 121.xxx.39

1. 낙뢰(落雷)란 무엇인가

낙뢰(Lightning)란 구름이 전기적으로 대전(충전)된 상태에서 순간적으로 대지(땅)로 전류가 흐르면서 방전(전류가 흘러 없어짐)되는 현상이다.

구름은 불완전하기는 하지만 거대한 도체 덩어리로, 열, 마찰(운동) 등에 의한 에너지가 전기 에너지로 변환되어 모여있게 되는데, 이 전기에너지가 넘쳐나서 대지와의 사이에 전압이 1cm 당 대략 30,000 V 가 넘게 되면 공기의 절연(絶緣) 내력(耐力)이 파괴되어 엄청난 전류가 흐르게 된다.
이 현상을 낙뢰라고 한다.

즉 만일 구름과 대지 사이의 거리가 300m 라고 한다면, 그리고 그 사이의 전압이 90,000,000 V 가 넘게 되면 그 사이에 있는 공기를 통해(건너 뛰어) 강제적으로 방전현상이 일어나는 것이다.

이런 계산에서, 만일 1 km 높이에 떠 있는 구름으로 부터 낙뢰가 발생했다면, 이때의 대지와 구름 사이의 대전 전압은 3억 V 가 넘었었다는 뜻이 된다.

그리고 이때 흐르는 전류는 대략 15,000 A 에서 150,000 A 가 되는데 평균적으로는 약 20,000 A (암페어) 정도가 되고, 전류가 흐르는 시간은 아주 짧아서 대략 0.001~0.01 초가 된다.

또한 낙뢰는 한 번 치면 2~3회, 많게는 10회까지도 그 자리에 계속 떨어진 경우도 있다.
이것은, 번개가 한 번 치면, 공기가 이온화되어 전류가 잘 흐르게 되기 때문이다.
번개는 구름에서 땅으로만 치는 것이 아니라, 구름과 구름 사이, 또는 한 구름 안에서 아래와 윗쪽 사이에 일어나기도 한다.

우리나라에서는 1년에 대략 100만 번 에서 150만 번 정도 낙뢰가 발생하고, 그 30% 정도가 8월 달에 발생하는 것으로 알려져 있다.
이 횟수는 구름과 땅 사이의 방전(낙뢰)현상만을 말하는 것이다.

그러나 낙뢰는 기상이변으로 인한 대기 온도의 상승, 풍속의 증가, 태풍 발생 빈도의 증가 등으로
앞으로는 더 많이 발생될 것으로 추정되고 있다.

또한 번개에도 종류가 많으나, 여기서는 어떻게 하면 벼락을 피할 수 있는지에 대해서만 이야기 하겠다.

낙뢰로 사람이 다치거나 물건이 부서진다는 것은, 전기적 방전로 사이에 어떤 물체나 인체가 끼어있게 되어 대전류가 인체를 통해 흐르게 되므로 화상을 입거나 전기적 충격으로 심장이 멎어 버리는 것을 말한다.

뿐만 아니라 비록 아주 짧은 시간일지라도 대전류가 흐르기 때문에 전기기구 등도 낙뢰에 맞으면 큰 충격을 받아 파손됨은 물론이다.

당연히, 비행기가 벼락에 맞았다는 것도, 전류 통전로 사이에 비행기가 끼어있어서 방전전류가 비행기를 통해 흐르게 됐다는 것을 말한다.(두개의 구름 사이, 구름과 땅 사이에 막 방전이 일어나려고 하는 상태에서 비행기등이 끼어들면 그만큼 방전로 거리를 좁혀주게 되어 방전이 쉽게 일어나기도 한다.)

비행기는 외피가 모두 전류가 잘 흐르는 금속체로 둘러 쌓여있어서 낙뢰에 맞아도 안에 타고 있는 승객의 안전에는 아무런 문제가 없다.

다만 동체의 외부에 부착되어 있는 온도 센서, 안테나 등의 부속과 여기 연결되어 있는 장비들이 가끔 파손되는 겅우가 있기는 하다.

이런 이치로, 자동차 (지붕이 금속제 캐노피로 덮여있는 일반 자동차)에도 벼락이 떨어지면, 전류는 차체의 외피를 타고 흘러 땅으로 방전되므로 차 안에 타고 있는 사람은 안전하다.

그러나 차 밖에서 차에 기대어 있던 사람은 아주 위험해서 생명을 보장받을 수가 없다.
차에 낙뢰가 떨어지면, 차체와 땅 사이에 수백만 볼트(V)의 전압이 발생되어, 차에 기대고 있던 사람을 통해 전류가 흐르게 되기 때문이다.

물론 번개가 아무리 치더라도 금속제 드럼통 안에 들어가 있는 사람이 머리만 드럼통 밖으로 내밀지 않으면(수평에서 봐서 머리가 드럼통의 수평면 보다 더 아래 안쪽으로 위치해 있으면) 절대 안전하다.

즉, 낙뢰시의 전류가 사람을 둘러싼 주변으로 흐른다면(사람의 둘레에 균일하게 흐른다면) 인체에는 아무런 전기, 자기장의 영향을 받지 않게 되므로 안전하고, 심지어 전류가 흐른다는 것도 느낄수가 없게 되기 때문이다.

2, 낙뢰는 어떤 곳에 떨어지는가.

낙뢰는 구름에서 보았을때 제일 가까운 곳에 떨어진다.

이 말은 땅에서 제일 높은 곳에 떨어진다는 것이다.

그런데 높은 곳이라 함은 금속체만이 아니다. 나무, 인체, 낙싯대, 뭐든 아주 완벽한 절연체가 아니면, 또는 만일 완벽한 절연체라도 비에 맞아 젖어 있다면 도체가 되므로 이들을 모두 포함해서 땅에서 제일 높은 곳, 즉 구름과 제일 가까운 곳에 낙뢰한다.

그림 설명: 이와 같이 낙뢰는 구름과 제일 가까운 곳, 즉 대지에서 제일 높은 곳에 떨어진다.

어떤 사람은 우산을 쓰고 있으면, 우산대가 금속체이므로 낙뢰를 유도한다고 알고 있으나, 우산대가 만일 대나무로 되어 있다고 해도 낙뢰가능성은 똑같다.

반대로 주머니에 동전이 들어 있다거나, 금속제 물건이 들어있다는 것만으로 낙뢰를 유인하는 원인이 되지는 않는다.

이런 이유로 해서 낙뢰가 심할 때는 금속제 가구, 철제 그릇, 손전등, 우산 등을 멀리 두는 경우가 있는데, 그런다고 낙뢰가 이들에게만 치고 사람을 피해 가지는 않는다.

다시 말해서, 낙뢰는 오직 지면에서 주변 보다 높은 곳, 즉 구름과 제일 가까운 곳에 떨어진다.

위에서 말했듯, 낙뢰는 구름에 대전된 전압의 방전로가 형성됐다는 뜻으로, 거리가 제일 짧은 곳(방전 내력이 제일 약한 곳)을 통해 흐르기 때문(절연 내력의 파괴)이다.

이런 이유로 해서, 번개가 칠 때, 낚시를 하거나 골프를 치는 것은 매우 위험하다.

낚시나 골프 모두 평평한 들판에서 하는 일이므로 낚싯대를 위로 쳐들거나 했을때, 구름과의 거리가 주변보다 그만큼 가까워 지므로 낙뢰의 지름길이 되기 때문이고, 국내에서도 실제로 골프나 낚시를 하다 번개를 맞은 예가 많이 있다.

3, 낙뢰를 피하는 법.

낙뢰를 피하기 위해서는 무엇보다 자신의 키 높이를 주변의 다른 물체보다 낮게 해야 한다.

그러므로 벌판에서 낙뢰가 일어나면 서있지 말고 앉아 있어야 한다. 그렇다고 해서 땅바닥에 길게 누워 있으면 안되고, 몸을 웅크린채 머리를 숙이고 앉아 있는 것이 좋다.

길게 업드려 있어서 넓은 지면을 차지하게 되면, 만일 가까운 곳에 낙뢰가 발생할 경우 지면 사이에서도 전압차가 발생되어 위험할 수도 있기 때문이다.

또는 계곡과 같이 주변보다 낮은 곳에 웅크리고 앉아 있으면 더 안전하다.

아래, 낙뢰를 피할 수 있는 안전한 곳들을 알아본다.

*안전한 장소 1, 육교 아래, 큰 건물, 아파트 안, 차내, 동굴 안, 숲속. 금속제 드럼 통 안.

육교는 철제로 지어져 있어 만일 낙뢰가 치더라도 철근 구조물을 따라 전류가 땅으로 흐르므로 안전하다.
이때 육교의 철 구조물에 몸을 기대고 있거나 손을 대고 있는 것 보다는 아주 역간이라도 거리를 두고 있으면 더 좋다.

큰 건물, 아파트 등에는 건물 자체에 피뢰침이 있어 절대 안전하다.

나무가 여러개 있는 숲속에서는, 무수한 나뭇잎들의 뾰족한 부위들이 냉방전을 일으켜 구름에 대전된 전압을 소멸시켜 버리므로 낙뢰가 잘 일어나지 않는다.

차에는 낙뢰가 치더라도 차 안에 있는 사람에게는 안전하다.
물론 차나 드럼통 안에서는 차에 몸을 기대고 있어도 된다. (차 밖에서 차에 접촉하고 있는 사람은 위험하다)

*안전한 장소 2, 피뢰침이 있는 곳에서 3~4 m 떨어진 위치에서 부터 피뢰침의 높이까지의 거리 이내 지역, 높은 송전탑에서 4~5 m 떨어진 지역에서 30~40 m 이내 지역, 전주에서 3m 밖~10 m 부근 지점 이내, 방송국 송전탑 부근 4~5 m 떨어진 지점에서 부터 50m 정도 이내, 풍력발전기 아래, 골리앗 크레인 아래.

그림 설명: 그림에서와 같이 피뢰침의 꼭대기가 보이는 각도가 45도가 될 때 까지의 거리 이내(피뢰침 높이와 같은 거리)는 안전범위가 되고, 피로침이 보이는 각도가 60도 가 되는 곳 까지의 거리 이내(피뢰침 높이의 대략 0.7배 거리) 이내를 절대 안전범위라고 한다.

피뢰침은 누가 만들어도 된다. 다만, 가능하면 굵은 전선을 쓰고, 전선이 가능하면 직선으로 내려오고, 접지판은 땅 속 깊이 1 m 쯤 되는 곳에 잘 묻어 놓으면 된다. 때로는 접지판을 2개, 4개 까지도 쓰고, 접지봉은 4개나 6개만 쓰면 충분하다.

모든 전선의 연결은 완벽하게(전기저항이 적게) 연결하도록 한다.

그리고 피뢰침이 묻힌 곳과 전선이 내려가는 곳에는 대지에서 2m 높이에서 부터, 둘레 1m
이내에는 사람이 접근할 수 없도록 울타리를 쳐 놓도록 한다.

일반적으로 생각하기엔 피뢰침 부근은 낙뢰가 잘 칠 것으로 생각되어(물론 피뢰침에는 벼락이 자주 떨어진다.) 위험할 것으로 보이나, 낙뢰가 쳐도 주변을 보호하는 기능이 있다.

구체적으로는, 피뢰침은 피뢰침이 서있는 자리로 부터 피뢰침의 높이만큼의 거리를 반지름으로 하는 주변 둘레를 낙뢰로 부터 보호한다. 즉 피뢰침의 높이가 지면으로 부터 20 m 라면, 반지름 20 m 이내의 원 면적 안에는 낙뢰가 떨어지지 않도록 막아준다.

사진 설명: 이 사진은 구미 소재 카스트 식물공장에 설치되어 있는 태양전지판(Solar cell) 위에 서있는 피뢰침의 모습이다. 카스트 식물공장은 이 태양광 발전설비에서 낮 동안 2kW (DC 52V, 38A)의 전력을 생산해 식물공장 내에서 LED 조명에 소비되는 전력의 약 15%를 공급할 수 있다.

피뢰침의 높이가 얼마인지를 알려면, 피뢰침으로 부터 점점 멀어지면서 피뢰침 꼭대기를 바라보았을 때 그 올려다 본 각도가 수평에서 45도가 되는 지점이에서의 피뢰침까지의 거리이다. 피뢰침은 그 범위 내의 지역을 낙뢰로 부터 보호해 준다,

다만 피뢰침이 묻혀있는 지점(접지지점)은, 낙뢰시 접지지점으로 부터 멀리 떨어져 있는 지점에 비해 대지전압이 올라가므로, 접지지점에서 너무 가까이 있는 것은 위험할 수도 있다.

이때, "가까이 있는 것"이란, 2~3m 이내의 지점을 말한다.

같은 이치로, 송전탑도 피뢰침의 역할을 하므로, 송전탑 높이만큼의 거리 이내 지역에는 번개가 치지 않도록 하는 역할을 하므로 안전지역이다.

전주(電柱)에도 맨 꼭대기에 낙뢰가 직접 전선에 치는 것을 막아주는 지중선(地中線)이 있어서 전선에 번개가 칠 때 전압발생을 감소하고 땅으로 흐르는 전류를 분산시켜 보내기 위한 전선이 전주를 따라 내려와 땅에 묻혀있는 접지봉, 또는 접지판에 연결되어 있어 피뢰침의 역할을 한다.

그러므로 전주에 아주 가까이 있지 않은 이상, 전주는 피뢰침 역할을 해 주어 안전하다.

크레인, 풍력발전기 등도 모두 피뢰침의 역할을 해 주므로 낙뢰가 심할때면 그 옆에 (3~4 m 떨어진 곳) 에 있으면 안전하다.

물론 풍력발전기에도, 만일 피뢰침이나 그와 같은 역할을 하는 장치가 없다면 낙뢰시 풍력발전기 자체가 파손될 수 밖에 없다. 그러나 풍력발전기의 로우터(날개)에는 낙뢰시 대전류가 흘러도 안전하도록 내부에 굵은 전선이 아래로 내려져 있고, 그 아랫쪽 끝에는 땅 속에 묻어놓은 접지봉, 접지선에 연결되어 있어 완벽한 피뢰침 역할을 한다.

4, 낙뢰시 위험한 일들.

천둥 번개가 심할 때엔 보트타기, 낚시, 골프 등은 아주 위험한 일이다. 들판을 산책하는 일도 위험하다. 더구나 우산이라도 쓰고 걷는다면....우산은 높이가 있어서 그만큼 구름과 가까워지므로 낙뢰의 길을 열어준다.

번개의 이치를 연구하고 피뢰침을 발명한 밴저민 플랭크린은 금속선을 연결한 연을 높이 띄워 그 금속선의 끝부분에서 대전이 일어나는 상태를 알아내어 낙뢰가 구름과 땅 사이의 대전된 전기가 방전되는 현상이라는 것을 알아냈고, 낙뢰의 위험을 막는 방법으로 피뢰침을 발명했다.

하지만 그는 시험중 낙뢰에 맞아 사망하지 않은 것 만으로도 기적과 같은 업적을 이룬 셈이다.

숲이 아닌 곳에서, 혼자 높이 서있는 나무 이래 서있는 것은 아주 위험하다.

나무는 피뢰침이나 크레인 등과 달라서 전류가 아주 잘 흐르는 도체가 아니다.

그러므로, 그 높이에 따른 만큼의 낙뢰 유도효과는 피뢰침과 같으나, 낙뢰가 쳐서 나무둥치를 통해 엄청난 전류가 흐르게 될 때, 이를 견뎌내지 못해 기둥 안에 있는 수분이 가열되어 팽창하므로 폭발하게 되고, 그만한 전류도 감당하지 못해 가까이에 있는 다른 물체에도 전류를 분산시키게 되므로 가까이에 있으면 위험하다. 뿐만 아니라, 나뭇가지를 통해서도 인체로 낙뢰전류가 전달 될 수도 있어 위험하다.

또한 낙뢰가 심할 때면 가정이나 공장 등에서는 전선에 인체가 가까이 접촉되어 사용하게 되는 전기기구, 예를 들어 드라이어나 전기 오븐, 다리미 등의 가전 제품과 유선 전화기 등은 사용하지 않는 것이 좋다.

전선이나 전화선에는 낙뢰시 발생되는 전압을 감소시켜 주는 장치가 있기는 하나, 지역이나 조건에 따라서는 그런 기능이 떨어져, 전선에 고전압이 유기될 수도 있기 때문이다.

물론 핸드폰이나, 리모컨으로 TV 를 조작하는 일은 전선에 낙뢰가 떨어질 경우에도 절대 안전하다.

머리카락을 태우면 번개나 낙뢰가 덜해 진다고 하는 속설이 있는데, 절대 그렇지 않다.

5, 낙뢰의 또 다른 설명

낙뢰는 비록 짧은 시간동안 계속되나, 발생전압이 높고 전류량도 많아 에너지량이 엄청나므로 그 전기를 모아 두었다가 다른데 쓰면 되지 않겠느냐는 얘기가 있다.

그러나 낙뢰 에너지는 그리 큰 것도 아니고, 특히 그 에너지를 모두 잡아두는 방법이 없으므로
불가능한 얘기다.

낙뢰 에너지는 충전된 전하에 담겨있는 전기 에너지이므로 그 에너지 량은
전압이 대략 1억 V, 최대 전류 20,000 A 라고 해도 그 지속시간은 0.001 초에 지나지 않으므로

E(Joule)=100,000kV * 20,000A *0.001 에서,
20억 Joule(100W 전구 1000개를 5.5시간 켤 수 있는 에너지) 이 되나,
실제로는 낙뢰 에너지를 100% 잡아내는(흡수하는) 방법이 없다.
즉 아무리 효율이 좋은 낙뢰흡수장치를 만들더라도, 낙뢰가 칠 때 발생하는 에너지의 99%는
낙뢰흡수장치와 구름 사이의 공간에서 불꽃으로 달아나 버리기 때문이다.

그러므로 낙뢰전력을 이용한다는 방법은 실효성이 없다는 얘기가 된다.

낙뢰는 이렇듯 철저한 물리적 원칙에 따라 어느 지점에 떨어질 뿐이지만, 그리고 그 원리도 이제는 잘 밝혀져 있지만, 그러나 우리 인간에게는 많은 두려움을 주는 것이 사실이다.
그만큼 자신의 삶을 돌이켜 보는 계기를 만들어 주게 되는 것이다.

그러나 낙뢰(번개를 포함)는 방전을 일으킬 때 마다 질소화합물을 만들어 아미노산계의 물질들, 예를 들어 암모니아(NH4)등을 고정시켜 줌으로써 원시생물 탄생의 근원이 됐다.
이처럼 번개는 파도와 함께 지구 출발의 시작에서 부터 지금의 우리가 있게 한 원인이기도 한 것이다.

ParkJungHee 2011-09-10 21:26	번개에도 이렇게 많은 원리가 숨겨져 있다니 놀랍습니다. 완전히 이해한 것은 아니지만 그래도 새로운 지식을 배우게 되어서 기쁩니다. 감사합니다.