概要

雷は稲妻と雷鳴を伴う雄大で少し不気味な放電現象である。雷は一般的に対流発展が盛んな積乱雲の中で発生するため、強い突風や豪雨を伴い、雹や竜巻を伴うこともある。

雷

積乱雲の頂部は一般的に高く、20キロに達することができ、雲の上部には常に氷の結晶がある。氷結晶の氷付着、水滴の破砕、空気の対流などの過程で、雲に電荷を発生させる。雲の中の電荷の分布は複雑だが、全体的に言えば、雲の上部は正の電荷を主とし、下部は負の電荷を主とする。そのため、雲の上と下の間に電位差が形成される。電位差がある程度になると、放電が発生します。これが私たちがよく見る稲妻現象です。

稲妻の平均電流は3万アンペア、最大電流は30万アンペアに達する。稲妻の電圧は約1億～10億ボルトと高い。中程度の強度の雷鳴の出力は1千万ワットに達し、小型原子力発電所の出力に相当する。放電中、稲妻チャンネル中の温度が急激に上昇したため、空気の体積が急激に膨張し、衝撃波が発生し、強い雷が鳴った。

電荷を帯びた雷雲と地面の突起物が近づくと、それらの間に激しい放電が発生する。雷放電地点では強い閃光と爆発の轟音が発生する。人々が見たり聞いたりする稲妻雷鳴は大気中の自然現象である。

雷の種類

雷には直撃雷、電磁パルス、球形雷、雲閃の4種類がある。その中で雷や球形雷を直撃すると人や建物に危害を与えるが、電磁パルスは主に電子機器に影響を与え、主に誘導作用によるものである。雲閃は2つの雲の間または1つの雲の両側で発生するため、人類に対する危害は最小である。

直撃雷とは、雲の上にたくさんの電荷を集め、大量の電荷を放出するための通路を見つけることであり、建物であることもあれば鉄塔であることもあれば、広々とした場所の一人であることもあるので、これらの人や物体は電荷放出の通路になって、人や建物を殺傷した。直撃雷は威力最大の雷であるが、球形雷の威力は直撃雷よりも小さい。

らいうんけいせい

雷が発生する条件は、雷雨雲に蓄積があり極性を形成することである。科学者たちは雷雨雲の帯電メカニズムと電荷の規則的な分布に対して、大量の観測と試験を行い、多くの資料を蓄積し、そして様々な解釈を提出し、一部の論点は今でも論争がある。

 流雲の初期段階に対する「イオン流」仮説

大気中にはこの大量の正イオンと負イオンが存在し、雲中の雨滴上では電荷分布が不均一で、最も外側の分子は負に帯電し、内側の層は正に帯電し、内側の層は外側の層の電位差より約0.25 V高い。この電位差をバランスさせるためには、水滴は大気中のマイナスイオンを優先的に吸収しなければならず、水滴は次第にマイナス電荷を帯びていく。対流の発展が始まると、比較的軽い正イオンが徐々に上昇された気流が雲の上部に持ち込まれ、負に帯電した雲滴は重いため、下部に残り、正と負の電荷の分離をもたらした。

 冷雲の電荷蓄積

対流が一定の段階に発展し、雲体が0℃層以上の高さに入ると、雲の中には過冷水滴、あられ粒、氷晶などがあった。このような異なる相状態の水蒸気凝縮物からなり、温度が0℃未満の雲は、冷たい雲と呼ばれています。冷雲の電荷形成と蓄積過程には次のようなものがある。

①過冷水滴があられの粒に衝突して凍り電気を起こす

雲の中には0℃未満の温度でも凍結しない水滴がたくさんあり、この水滴は冷水滴と呼ばれています。過冷水滴は不安定で、軽く振動されるとすぐに凍結して氷粒と呼ばれる。冷たい水の滴が散乱粒に衝突すると、すぐに凍結します。これは衝突凍結と呼ばれます。衝突凍結が発生すると、過冷水滴の外部はすぐに氷殻に凍るが、その内部は一時的に液体状態を維持しており、外部凍結放熱の潜熱が内部に伝わるため、その内部液体過冷水の温度は外部の氷殻よりも高い。温度の違いにより、凍結した過冷水滴は外部にプラスの電気を帯び、内部にマイナスの電気を帯びている。内部にも凍結が発生すると、雲滴は膨張分裂し、外皮は正電を帯びた氷屑に破裂し、気流に乗って雲層の上部に飛び、負電を帯びた凍結滴の核心部分は重いあられ粒に付着し、あられ粒を負電に帯電させて雲層の中下部に残す。

②氷晶とショットの摩擦による電気発生

散乱粒は凍結水滴からなり、白色または乳白色になり、構造は比較的サクサクしている。冷たい水の滴が凍って潜熱を放出することが多いため、その温度は一般的に氷晶より高い。氷結晶には一定量の自由イオン（OH−とH＋）が含まれており、温度が上がるにつれてイオン数が増加する。あられ粒と氷晶との接触部分に温度差があるため、高温端の自由イオンは必然的に低温端より多くなり、従ってイオンは必然的に高温端から低温端に移動する。イオン移動時には、プラスに帯電した水素イオンの速度が速く、マイナスに帯電した重い水素酸素イオンの方が遅い。そのため、一定時間内に冷端水素イオンが過剰になる現象が現れ、高温端が負、低温端が正の電気分極をもたらした。氷晶がショットに接触して分離すると、温度の高いショットは負の電気を帯び、温度の低い氷晶は正の電気を帯びた。重力と上昇気流の作用の下で、比較的に軽いプラスに帯電した氷晶は雲の上部に集中し、比較的に重いマイナスに帯電したあられの粒は雲の下部に留まるため、冷たい雲の上部はプラスに帯電し、下部はマイナスに帯電することになった。

③水滴は希薄な塩分を含んでいるため電気が出る

上述した冷雲の2種類の起電機序のほか、大気中の水滴に希薄な塩分が含まれているために起電機序が提案されている。雲が凍結すると、氷の格子には負の塩素イオンが収容できるが、正のナトリウムイオンは排斥される。そのため、水滴が凍結した部分は負に帯電し、凍結していない部分は正に帯電する（水滴が凍結した場合は奥から外に向かって行う）。水滴が凍結したあられの粒は落下する過程で、表面が凍結していない水分を落とし、多くの正帯電した小さな雲の滴を形成し、凍結したコア部分は負帯電した。重力と気流の選別作用により、電気正点の小滴は雲の上部に運ばれ、負に帯電した散乱粒子は雲の中、下部に留まった。

 暖雲の電荷蓄積

熱帯地方では、雲全体が0℃以上の地域に位置する雲がある。したがって、固体水粒子を含まずに水滴のみを含む。この雲は暖かい雲や水雲と呼ばれています。暖かい雲にも雷が発生する。中緯度地域の雷雲では、雲体は0℃の等温線の下に位置し、雲の暖地である。雲の暖地でも起電過程が発生している。

雷雨雲の発展過程において、上述のメカニズムは異なる発展段階でそれぞれ役割を果たす。しかし、最も主要な帯電機構はやはり水滴凍結によるものである。大量の観測事実によると、雲の頂に繊維状、糸状の構造が現れたときだけ、雲が雷雨雲に発展した。航空機の観測によると、雷雨雲の中には氷、雪晶、散乱粒を主とする大量の雲粒子が存在し、しかも大量の電荷の蓄積、すなわち雷雨雲の急激な帯電メカニズムは、散乱粒の成長過程の衝突、衝突凍結、摩擦などによって発生しなければならない。

稲妻現象

暴風雲は通常電荷を発生し、底部は陰電、最上部は陽電であり、また地面に陽電荷を発生し、影のように雲に従って移動する。陽電荷と陰電荷は互いに吸着するが、空気は良好な伝導体ではない。陽電は木、丘、大きな建物のてっぺん、さらには人体の上に走り、陰電を帯びた雲との出会いを企んでいる。陰電荷枝状の触角は下に伸び、下に伸びるほど地面に近づく。最後に陰陽電荷はついに空気の障害を克服して接続された。巨大な電流が伝導気道に沿って地面から雲に向かって押し寄せ、目を奪うような閃光を生み出した。1本の稲妻の長さは数千メートルかもしれないが、最長で数百キロに達することができる。

稲妻の温度は、摂氏1万7000度から2万8000度までさまざまで、太陽表面の温度の3 ~ 5倍に等しい。稲妻の極度の高熱は沿道の空気を激しく膨張させた。空気の動きが速いので、波ができて音がします。稲妻は距離が近く、鋭い爆裂音が聞こえてきた。距離が遠いと、ゴロゴロという音が聞こえます。稲妻を見た後にストップウォッチを動かし、雷を聞いたらそれを押して止め、得られた秒数を3で割ると、稲妻が何キロ離れているかがだいたいわかります。

稲妻のタイプ

稲妻は通常、無声放電と稲妻の2種類に分けられる。稲妻自体はまた、フレーク稲妻、線状稲妻、チェーン稲妻、球状稲妻などに分けることができる。

最もよく登場する無声放電の一種は「エルマ聖火」と呼ばれている。嵐などの原因で大気中の電界強度は大きく増加し、地球表面の突出物体付近では30 kV/cmの強度に達しやすく、突出部分で静止放電が発生する。雷雲と大地の間の放電や雷の音がしない閃光現象ではなく、実際には先端コロナ放電である。放電時には、突出物の周囲が煙状または光膜状の放電現象となる。電界強度が強いと、単独のビーム状放電が形成され、物体の周囲から放射される。この放電現象は電気通信システムに干渉する。

フレーク稲妻雲の表面に現れる閃光であり、雲に遮られた火花稲妻の延光であることもあれば、雲の上部に発せられた群集した、見え隠れする特殊な放電作用の光であることもある。この稲妻は、雲の中の電場のエネルギーが放電作用を起こすのに十分であるが、新たに加わった電力量が少なすぎて、点滅放電が火花（線状）放電に転換する前に、既存の蓄電量が使い切ってしまったことを示している。片稲妻を伴う雷嵐だけは弱い部類で、電力系統には一般的にはあまり誘起されない過電圧しか導入されていない。

線状稲妻一般的には曲がりくねった枝義が縦横に走る巨大な電気火花で、長さは2 ~ 3キロ、長さは10キロもあり、稲妻の中で最も強く、電力、通信システム、人畜や建物などに最も脅威を与えている。雷雲と大地間または雷雲との相互間の電界強度が遊離電荷の漸増により空気絶縁破壊に十分な強度（最高時100 kV/mに達することができる）まで増加すると、放電の瞬間に極めて大きなエネルギーを持ち、電圧を1000-10000 kV以上に蓄積することができ、放電電流を数十万アンペアに達することができ、放電時間は数千分の数秒にすぎない。線状稲妻の多くは雷雲と大地間の放電であるが、雷雲間の放電もある。この稲妻は同時に異なる場所に打つことができ、一般的には先導放電と主放電などの段階に分けられる。ほとんどの場合（約50〜70%以上）、雷雲と大地との間の放電過程は単一ではなく多重であり、つまりいくつかの同じチャネルで発展した単一の放電から構成されている。繰り返し放電の数は一般的に1〜27回、単回放電の継続時間は一般的に0.001〜0.02秒、各放電の間隔時間は0.01〜0.05秒である。

くさり稲妻比較的に珍しく、発光する破線であり、チェーンのように雲と大地の間で放電したり、雲と雲の間で放電したりすると出現する可能性がある。線状稲妻と球状稲妻の中間にある遷移形のようだ。

球状稲妻最も奇妙で、最も珍しく、最も神秘的な稲妻であり、拳のような大きさからサッカーのような大きな球形発光体から構成されており、活動速度は大きくなく、移動が見られ、その歩く経路は極めて不規則で、往々にして風向きと一致しており、それが現れると、常に尖ったホイッスルやブーンという音がして、安らかに消えることもあるが、時に恐ろしい爆発が起こることもある。それが消えると、刺激的な軽い煙が残ることが多い。球形稲妻が存在する時間は数秒から数分まで可能で、それは1つの場所にいくつか滞在することができて、煙を出しながら、火花を出すことができて、現在、国際的に球形稲妻についてもまだ十分な説明がなくて、科学者たちはまだ研究中です。

稲妻は明るい電気火花のほか、強力な音を伴っています。これが雷です。

雷音の大きさは稲妻の強弱に対応し、雷は空気が18000℃前後に達する稲妻ルートの中で突然強烈な熱とそれに伴う急速な冷却によるものではなく、急速な膨張と圧縮の振動による空気の音、同時に雷は水と空気が高電圧（火花）で分解して発生するガス爆発時に発する音でもある。爆発波の特性、複数回の放電と音の往復反射などの関係で、雷がゴロゴロと鳴り響いている。雲間放電の場合、雷鳴が続く時間は雲と大地間放電の時間より短い。一般的に1回の稲妻の雷鳴の平均継続時間は約30〜40秒であり、個別の場合には1分に達することができる。

襲撃の時間

世界各地では毎時約1800個の雷が交差している。毎秒約600回の稲妻を発し、そのうち100回は地球を襲っています。

ウガンダの首都カンパラとインドネシアのジャワ島は、最も稲妻に襲われやすい場所だ。ジャワ島では年間300日も稲妻が発生しているという統計がある。歴史上最も激しい稲妻は、1975年にジンバブエの田舎ウムタリー近くの小屋を襲った時、21人が死亡した。

雷発生の周波数と特性

世界中で1800回の雷雨が発生しており、毎秒約100回の落雷があります。米国では、雷による死者は年間約150人、負傷者は250人に上る。世界では毎年4000人以上が落雷に見舞われている。雷の発生頻度が平均レベルを示す平坦な地形では、高さ300フィートの建物ごとに年に1回撃たれています。ラジオやテレビ塔のような1200フィートの建物は、毎年20回撃たれ、落雷のたびに6億ボルトの高圧が発生することが多い。

雲から地面への稲妻には、実際には60ミリ秒間隔で発生する3～5回の独立した落雷が含まれており、1回目の落雷のピーク電流は約2万アンペアで、後続の落雷のピーク電流は半減しています。最後の落雷の後、約150アンペアの連続電流が100ミリ秒続く可能性があります。

これらの落雷の上昇時間は約200ナノ秒またはそれ以上であることが測定された。2万アンペアと200ナノ秒を用いて、計算に難くないdI/dtの値は毎秒10 ^ 11アンペアである。