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雷の正体とは
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稲妻、雷光などという言葉があるが古来、雷は先ず光の現象として 捉えられてきた。雷雲から飛来した閃光がたどり着いた場所から炎 が上がり、また黒々と大きな焼け焦げができあがる。人々は何か巨 大な自然の力が雷の中に宿っていると考えてきた。 その雷が｢電気と関係があり 稲妻や雷光は電気が通った筋道ではな いか｣と考えられるようになったのは､電気という物理現象が科学的 に把握できるようになってからである。この事実を確かめようとし た実験としてよく知られているのが、1752年に行われたベンジャミ ン・フランクリンの実験である。彼は｢放電間隙実験小屋｣と呼ばれ る施設と凧を使って実験を行うことで稲妻と電気との同一性を確か める実験を行ったのだ。 ダイナモが空の上にあるわけでもないのに、なぜ電気現象である雷 が起きるのだろうか。まずはその原理を探ってみたいと思う。いま 発電機もないのにと書いた。しかし電気というものは実はどこにで も突然できると考えられているものなのだ。というのは、何らかの エネルギーが、プラスの荷電とマイナスの荷電に分離することは自 然現象の中にどこでも見られるからだ。そしてプラスの荷電とマイ ナスの荷電が存在すると、この荷電同士は互いに引き合う力を持ち 合体しようとする。これが放電現象であり電気の姿である。 考えて見れば私たちの暮らしの中にでは、そういう現象がよく起き る。冬の乾燥した空気の中を歩いて帰宅した折などにドアの取っ手 でピリッと感じる現象もそれである。我々の動いたエネルギーが摩 擦などのエネルギーに代わり、そのエネルギーによってプラス荷電 とマイナス荷電に分離されて蓄積し、やがて、そのエネルギーがド アの取っ手などに放電する。これはいわば小さな雷なのだ。 夏の積乱雲は太陽からの熱を受けて暖められた地熱からの上昇気流 によって起こされる膨大なエネルギーの塊である。積乱雲のような 雨、雪、霰、雹などを降らせる対流雲は程度の差こそあれすべてプ ラスの電荷とマイナスの荷電を分離する発電作用を持っている。 この発電作用には諸説があるが一般的には、上昇気流によって雲の 中のさまざまな粒子同士が摩擦、衝突、分離などを起こし、プラス の荷電とマイナスの荷電に分かれるというプロセスで起こるものだ と考えられている。そして雲頂部にプラスの荷電が、雲底部にマイ ナスの荷電が集まるのだ。 こうして蓄えられた電気エネルギーが、大気の絶縁を破壊し火花放 電を起こすのが雷であり、この雲を雷雲と呼ぶ。ここでいう大気の 絶縁破壊とは次のようなことを指している。 大気は通常、電気の絶縁体であり電気を通さない。ところがプラス 荷電とマイナス荷電の電位差が1ｍあたり500キロボルトを越えてし まうと空気の絶縁作用が破壊されて、瞬間的に放電が起こる。この 時に火花が飛ぶ。こうした放電を火花放電もしくはスパークと呼ぶ のであり、これが雷の正体なのだ。 雷は｢雲の中｣ ｢雲と雲の間｣ ｢雲と地上の間｣など条件によってさま ざまな場所で放電を起こす。３つ目の｢雲と地上の間｣に行われる放 電が、私たちの目撃するいわゆる｢落雷｣である。 夏の雷雲はまっすぐ上方に伸びて背が高い。従ってこの雷雲によっ て引き起こされる雷は雲底部に帯電したマイナスの荷電が地上と結 びついて起こる落雷となりやすい。これを｢マイナスの雷｣と呼ぶ。 これに対して日本海の冬に発生する雷雲は、上空温度がもともと低 い雪雲でできているために、夏の積乱雲に比べて高さが半分以下で ある。またシベリアから時速50kmに及ぶ寒気の吹き出しに吹き付け られてプラス荷電した雲頂部が横に伸びて｢かなとこ雲｣状態になっ ていく。そして雲頂部のプラス荷電が山などの地表が突出した場所 との間で放電して落雷を起こす。これをプラスの雷という。 北陸に見られる冬の稲妻にはこのプラスの雷が多いとされる。ただ し｢かなとこ雲｣状に発達した積乱雲では、雲頂部と地上の間でプラ スの雷を引き起こしつつ、雲底部と地上の間でもマイナスの雷を起 こすこともある。同時多発の雷とでもいえばいいかもしれない。 ところで雷雲とは別に起きる雷もある。火山の噴火エネルギーによ って噴煙の中にプラス電荷とマイナス荷電が生まれ、これが火花放 電を起こす場合がある。これを火山雷とよぶ。さらに大火災や大気 中の核爆発などによっても大規模火花放電、すなわち雷が生まれる こともある。雷はいろいろなところで生まれるのだ。 雷が｢瞬時に起きる放電｣であることは分かった。それは高い電圧に よって電気の絶縁体といわれる空気を切り裂き、まるで金属の中を 電流が流れるように放電を起こす。つまり高い電圧が空気の絶縁破 壊を起こすのだ。この放電のメカニズムを、さらに詳しく示すのが ｢ストリーマー理論｣と呼ばれるものだ。 ストリーマーとは、細長い導電性の放電路のことを指す。その放電 路ができあがるプロセスは以下のように説明されている。気体や液 体などの絶縁物で放電が発生する場合、まず電子が陽極に向かって 加速される。分子からできているイオンより極めて質量の小さい電 子は圧倒的に速いスピードで移動するのだ。 そしてこの電子はさらに分子に衝突して電子を電離させて、ねずみ 算式に電子を増倍させていく。この過程を｢電子なだれ｣という。こ うした電子なだれが発展すると、電子なだれから発する光などの作 用で近くに新たな電子なだれが誘発され、これらが合流して導電性 の大きい放電路を形成することになる。 こうした放電路をストリーマーと呼ぶのだ。狭い電極間の放電は通 常、以上のようにして起こってくる。そしてこうした電子なだれが 電極間の距離数十センチ以上を越える長距離になると、この放電路 を通って新たにストリーマーの幹をなすリーダーと呼ばれる大きな 放電路が形成されることになる。雷がきわめて長い距離の間を放電 していく原理もこれで説明されている。 |
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