천둥소리는 어떤 원리로 발생하는 건가요?
번개가 치고나서 천둥 소리가 나는 경우가 있잔아요,, 이 천둥소리는 어떤 원리로 나오는 것인지 궁금합니다. 번개가 쳐도 천둥 소리가 나지 않는 경우도 있는데 이거는 또 왜 그런건지 궁금해요~~
안녕하세요. JAMESON입니다.
결론: 짧은 시간에 뜨거워진 공기는 초음속으로 팽창하게 되고 주변 공기와 부딪히게 되는데 이때 발생하는 소리가 천둥이다.
출처:번개와 천둥 발생하는 이유 ScienceTimes 김은화 객원기자 2010.08.23 입니다.
순식간에 대기 중을 흐르는 전기
먹구름이 끼어 흐린 하늘에 갑자기 ‘번쩍’ 하고 번개가 친다. 놀라서 하늘을 쳐다보는 사람들도 몇몇 있다. 뒤이어 ‘콰르르릉’ 하는 천둥소리가 들리는가 싶더니 굵은 빗방울이 떨어지기 시작한다. 요즘 이렇게 천둥과 번개를 동반한 비가 자주 내리고 있다.
천둥과 번개와 비, 뇌우
이처럼 천둥과 번개를 동반한 비를 뇌우(Thunderstorm)라고 한다. 뇌우는 적란운 또는 거대한 적운에서 잘 발생한다. 적란운은 많은 이들이 소나기 구름으로 알고 있는 구름이기도 하다. 그냥 소나기 구름과 뇌우를 가르는 결정적인 차이가 바로 천둥과 번개의 유무다. 뇌우가 나타나면 갑자기 강한 바람이 불거나 짧은 시간 이내에 급격한 기온 변화를 보이기도 하며 우박을 동반하기도 한다. 우리나라에서는 주로 여름철에 자주 볼 수 있다.
번개는 번개구름 속에서 분리 축적된 음전하와 양전하 사이 또는 구름 속의 전하와 지면에 유도되는 전하 사이에서 발생하는 불꽃방전으로 매우 짧은 시간 내에 일어나는 높은 전기적 방출이다. 번개와 같이 공중전기의 방전에 의해 생기는 소리가 천둥이다.
공기의 충돌음인 천둥
천둥은 번개와 같이 공기 중에 전기가 방전되면서 발생하는 소리이다. 우리를 둘러싸고 있는 공기는 전기가 흐르지 않는 절연체다. 그런 성질을 가진 공기 중으로 전기가 방전된다면 어떨까. 전기는 흐르기 위해 노력하지만 절연체인 공기 중을 흐른다는 건 쉽지 않을 것이다. 그때 방전되는 부분인 방전로는 순식간에 30,000K의 고온이 된다. 막힘없이 잘 흐르던 물도 그 물길을 막아버리면 물이 흐르지 못해 넘치게 되듯, 짧은 시간에 뜨거워진 공기는 초음속으로 팽창하게 되고 주변 공기와 부딪히게 되는데 이때 발생하는 소리가 천둥이다.
천둥은 0.5초 이하의 매우 짧은 시간동안 발생하는 현상이다. 하지만, 방전로의 길이가 짧게는 수 킬로미터에서, 길게는 수십 킬로미터에 달하는데다 우리의 귀까지 도달하는 데 걸리는 시간 차이 때문에 천둥소리가 실제 시간보다 긴 시간 동안 들린다. 천둥이 들리는 범위도 30km 정도이다.
번개가 되기까지
사실 번개와 같은 전기 방전이 어떻게 일어나는가에 대해서는 아직 정확히 알려져 있지 않다. 대기에는 수직의 전기장이 존재하고 자유전하가 있다고 본다. 번개구름 속에서 양전하와 음전하로 분리되는 과정은 보통 ‘중력분리이론’으로 설명한다.
중력분리이론에서는 한 가지 과정을 가정한다. 빗방울이나 우박처럼 무거운 입자에서는 음전하가 떠나지만, 양전하는 구름입자나 이온처럼 가벼운 입자를 향하게 돼 전하가 분리되는 과정이다. 무거운 입자의 경우 구름에서 떨어져서 그보다 낮은 위치로 음전하를 방출하지만, 가벼운 입자는 상승기류에 의해 운반돼 상층에 양전하 중심으로 형성한다. 이 전하들이 충돌하면 짧은 시간 동안이나마 전류가 흐른다.
번개는 구름과 땅 사이, 구름과 주변공기 사이, 또는 구름 안에서 발생한다. 또한 공간전하가 충분히 높게 발달될 수 있는 눈보라나 모래보라, 화산폭발의 경우에도 발생한다. 흔히 벼락 또는 낙뢰라고 부르는 현상이 구름과 땅 사이에서 발생하는 방전 현상이다.
온난하고 다습한 공기와 불안정한 대기 상태에서 발생천둥과 번개는 어떤 상태에서 발생할까. 관측결과에 의하면 다량의 수분이 일정 고도 이상에까지 상승했을 때만 일어난다. 여기에서 일정 고도는 대기의 온도가 -20℃인 고도로 공기는 이 고도보다도 더 높이 상승해야 한다.
습윤공기가 1km에 약 5℃ 정도 감소하는 걸로 보면 적어도 연직으로 4km 이상은 이동한 고도가 된다. 다량의 수분이 연직으로 그만큼 상승하기 위해서는 상승하기 전의 공기가 습기를 많이 머금은 따뜻한 공기여야만 가능하다. 그래서 온난하고 습한 공기가 하층에 존재할 때 뇌우를 관측하기 쉬워진다.
공기가 온난하고 습하다고 해서 뇌우를 관측할 수 있는 건 아니다. 이 공기가 높은 고도까지 상승해야 공기 속 다량의 수분도 함께 상승할 수 있다. 그러기 위해서는 강한 상승기류가 뒷받침 돼줘야 한다. 강한 상승기류가 생겼다는 말은 대기가 그만큼 불안정한 상태라는 의미다. 따라서 뇌우는 두꺼운 기층에서 기온감률이 클 때 발달한다. 정리하면 뇌우는 일반적으로 온난하고 습한 공기와 불안정한 대기 상태일 때 발생할 가능성이 크다.
상승기류 발생에 따라 분류
뇌우는 상승기류가 발생하는 원인에 따라 열뇌우, 전선뇌우, 저기압성 뇌우로 분류된다. 열뇌우는 지표가 강한 일사를 받아 지표 부근의 습한 공기가 가열되면서 강한 상승기류가 발달할 때 생긴다. 주로 여름에 볼 수 있는 뇌우로 바람이 약한 날 오후에 발달할 가능성이 높다. 또한 열뇌우는 복잡한 지형 때문에 부분적으로 강한 일사를 받을 수 있는 산악지대에서 잘 발달한다.
전선뇌우는 따뜻한 공기인 온난기단과 차가운 공기인 한랭기단이 만났을 때 생기는 뇌우이다. 한랭기단을 따라 상승하는 온난기단의 특성을 보이는 온난전선보다는 온난기단 밑으로 한랭기단이 파고드는 한랭전선이 형성될 때 급격한 상승기류가 발생하여 더 강한 뇌우가 형성될 확률이 높다. 따뜻한 공기와 차가운 공기의 기온차가 커질수록 상승기류도 강해지기 때문이다. 전선뇌우는 일사가 아닌 전선의 영향을 받으므로 계절에 상관없이 발생한다. 그래서 여름 이외에 발생하는 뇌우의 주요 원인으로 꼽힌다.
발달한 저기압이나 태풍의 중심부근은 공기가 주위로부터 불어 들어온다. 이러한 기류는 강한 상승기류를 일으키는데 이때 발생하는 뇌우가 저기압성 뇌우이다. 실제로는 이들 세 원인이 복합적으로 일으키는 뇌우가 많다. 예를 들어 여름에 발생하는 뇌우는 불안정한 대기 상태에 전선의 영향까지 더해지곤 한다.
번개와 천둥 시간 간격으로 알 수 있는 ‘거리’
일반적으로 번개가 먼저 나타나고 뒤이어 천둥이 친다. 소리와 빛이 공기 중에서 통과하는 시간이 다르기 때문이다. 공기 중에서 빛은 소리보다 더 빠르게 움직인다. 번개가 치고 천둥이 나타나는 그 시간은 경우마다 다르다. 그 시간을 재면 현재 위치에서 번개가 친 곳까지의 거리를 알 수 있다. 번개가 나타난 때부터 천둥소리가 들리기까지 걸린 시간에 340m를 곱하면 된다. 소리가 공기 중에서 이동하는 거리가 초당 약 340m이기 때문이다.
굳이 계산하지 않더라도 번개와 천둥 사이의 시간 차이가 짧으면 짧을수록 나와 번개가 가까이 있다는 말이니 조심해야 한다. 만약 외출해 있는데 번개가 친다면 나무 밑은 피하는 게 좋다. 나무가 번개를 모으는 역할을 하기 때문이다.안녕하세요. 빛나라하리입니다. 천둥 소리의 원리는
1. 공기속을 전기가 흐른다
2. 전기 저항이 매우 높은 공기는 단숨에 가열되어 2만~3만의 온도가 된다.
3. 고온으로 인해 주변의 공기가 급격히 팽창한다
4. 팽창된 공기는 강한 충격파가 발생하며 소리가 나오게
천둥소리는 바로 번개가 치며 흐르면서 만들어낸 공기에서 나오는 소리입니다 즉 천둥소리는 전기가 흐르면서 공기가 폭발하는 소리인것입니다
안녕하세요. 자드락비입니다.
(번개가 치면 천둥소리가 납니다. 단지 늦게 들리는 것 뿐입니다.)
천둥소리가 나는 원리
천둥소리는 바로 번개가 치며 흐르면서 만들어낸 공기에서 나오는 소리입니다.
그렇기에 번개가 통과하는 부분에서 이러한 소리가 많이 나오게 됩니다. 구체적인 원리는 다음과 같습니다.
공기속을 전기가 흐른다.
전기 저항이 매우높은 공기는 단숨에 가열되어 2만~3만도의 온도가 된다.
고온으로 인해 주변의 공기가 급격히 팽창한다.
팽창된 공기는 강한 충격파가 발생하며 소리가 나오게 된다.
전기가 흐름으로 인해 공기가 팽창 된다는 것은 마치 천천히 이루어질 것 같지만, 실제 번개가 떨어지거나 지나는 시간은 불과 0.001초 입니다. 순식간 인거죠. 이런 짧은 순간에 2만도 이상의 고온으로 가열된 공기는 팽창 이라고는 하지만, 폭발한다고 봐도 무방합니다.
즉 천둥소리는 전기가 흐르면서 공기가 폭발하는 소리인것입니다.
번개친후 천둥소리가 늦게 들리는 이유
이것은 광속과, 음속이 연관되어 있습니다. 계산하는 방법은 이 두가지의 속도를 계산하는 것입니다.
광속광속은 빛의 이동속도입니다. 이 속도는 초당 299.792.458m 의 거리를 이동합니다.
음속음속은 소리의 이동속도입니다. 이 속도는 초당 340.29m 를 이동합니다.
숫자만 보아도 광속은 음속에 비해 어마어마한 속도인걸 알 수 있겠죠?
그래서 빠른 광속(번개) 는 우리의 눈으로 먼저 확인이 되는 것이고 광속보다 느린 음속(천둥소리)는 잠시 후에 우리의 귀에 들리는 이유 인거죠.
계산을 해보겠습니다.
번쩍거리는 번개를 본 후 1초 후에 천둥소리가 들렸다면, 번개는 340.29m 의 거리 밖에서 친 것입니다. 정말 쉽죠?
기억을 더듬어보면 번개가 친 후 1초나 혹은 3초 후 정도에 들린 적이 있을 겁니다. 만약 3초후에 들렸다면 340.29m x 3 의 거리(대략 1km) 에서 전기의 흐름으로 인해 공기의 폭발이 일어난 것입니다.
