落雷のメカニズムを探る
春から夏にかけては落雷の多い季節ですね。キャンプに出かけて、思わぬ光と音の炸裂に驚きた方も多いことでしょう。しかしこの落雷のメカニズム、あまりよく考えたことのない方が多いようです。私も子供に聞かれて「あれはね・・・あれっ」と唸ったことがあります。
そこで今回、ちょっと整理して考えてみました。
雷はどのように発生するのか？
雷は電流です。この電流を作るには、まず雲が必要です。
地面が熱くなると、その上の空気が温められます。
雷は電流です。この電流を作るには、まず雲が必要です。
地面が熱くなると、その上の空気が温められます。
この暖かい空気は上昇します。
上昇した空気は、水蒸気を冷却して雲をつくります。
空気が上昇し続けると、雲はだんだん大きくなります。
雲の上では、気温が氷点下になり、水蒸気が氷になります。
今度は、雲が雷雲になります。たくさんの小さな氷のかけらが動き回りながらぶつかり合う。このぶつかり合いで電荷が蓄積されます。
やがて、雲全体が電荷でいっぱいになります。
今度は、雲が雷雲になります。たくさんの小さな氷のかけらが動き回りながらぶつかり合う。このぶつかり合いで電荷が蓄積されます。
やがて、雲全体が電荷でいっぱいになります。
軽い正電荷の粒子は雲の上部にでき、重い負電荷の粒子は雲の下方に沈みます。
重くてマイナスの電荷を持つ粒子は、雲の底に沈みます。
プラスとマイナスの電荷が十分に大きくなると、雲の中の2つの電荷の間で巨大な火花、つまり稲妻が発生します。
プラスとマイナスの電荷が十分に大きくなると、雲の中の2つの電荷の間で巨大な火花、つまり稲妻が発生します。
これは、静電気の火花のようなものですが、もっと大きなものです。
雷の多くは雲の中で発生しますが、雲と地面の間で発生することもあります。
雲の下の地面にはプラスの電荷が蓄積され、雲の底にあるマイナスの電荷に引き寄せられます。
雷の多くは雲の中で発生しますが、雲と地面の間で発生することもあります。
雲の下の地面にはプラスの電荷が蓄積され、雲の底にあるマイナスの電荷に引き寄せられます。
地面のプラス電荷は、木や避雷針、人など、突き出ているものの周りに集中します。
地面からのプラス電荷が雲からのマイナス電荷と結びつき、落雷の火花が散るのです。
はあ、なんとなく分かったような気がしました？
では、このカミナリのメカニズムについて、もう少し詳しくみていきましょう。
落雷と雷の現象について
雷は、雲と地面の間の電荷の放電であり、地上から雲の高さは500～30000フィートと幅がある。落雷のエネルギーは、250キロワット時のオーダーになることもある。
落雷のメカニズム
落雷は、雲から地面への放電現象です。
落雷と雷の現象について
雷は、雲と地面の間の電荷の放電であり、地上から雲の高さは500～30000フィートと幅がある。落雷のエネルギーは、250キロワット時のオーダーになることもある。
落雷のメカニズム
落雷は、雲から地面への放電現象です。
落雷時には、雲と地面が巨大なコンデンサの2枚の板のように作用し、地面と雲の間には空気が誘電体として作用します。
雲の下部は負に帯電し、地球は誘導によって正に帯電します。
標準的な温度と圧力では、空気の絶縁破壊電圧は30kv/cmですが、雲には大量の水分が含まれており、また高度が高く低圧のため、空気の絶縁破壊電圧は10kv/cmと極端に低下しています。
雲に10kv/cm程度の電圧勾配ができると、周囲の空気が電離し、このとき雲から地上にストリーマ（気流）が発生しますが、これは肉眼では確認できません。
標準的な温度と圧力では、空気の絶縁破壊電圧は30kv/cmですが、雲には大量の水分が含まれており、また高度が高く低圧のため、空気の絶縁破壊電圧は10kv/cmと極端に低下しています。
雲に10kv/cm程度の電圧勾配ができると、周囲の空気が電離し、このとき雲から地上にストリーマ（気流）が発生しますが、これは肉眼では確認できません。
ストリーマの電流は百アンペアの約オーダーであり、ストリーマの速度は2.5フィート/秒です。この開始ストリーマもパイロットストリーマとして呼ばれ、これは雷現象を引き起こします。ストリーマの周囲の空気の電離の程度に応じて、それはいくつかのパスを提供し、図bに示すように、ステップリーダーとして知られています。
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| 図b |
ステップリーダーは、長さが約50メートルで、数マイクロ秒のために持続する電荷は、一時停止に電荷雲真の電離経路からもたらされ、一時停止に周囲の空気が再び電離され、リーダーは地球に到達します。
電離した電荷は、電離した電荷雲を通り、地球に到達すると、電離した電荷雲に向かって高速で移動します。
このストリーマは非常に強く、電流は1KA～200KAの間で変化します。このとき、雲に帯電しているマイナス電荷が、地球上のプラス電荷によって中和され、目で見ることのできる稲妻が発生します。
中和された電荷の近くには、雲に別の電荷が存在します。この電荷は電離した経路を通って中和しようとし、このストリーマーをダートリーダーと呼びます。
電離した電荷は、電離した電荷雲を通り、地球に到達すると、電離した電荷雲に向かって高速で移動します。
このストリーマは非常に強く、電流は1KA～200KAの間で変化します。このとき、雲に帯電しているマイナス電荷が、地球上のプラス電荷によって中和され、目で見ることのできる稲妻が発生します。
中和された電荷の近くには、雲に別の電荷が存在します。この電荷は電離した経路を通って中和しようとし、このストリーマーをダートリーダーと呼びます。
ダートリーダーの効果はリターンストロークより大きく、放電電流はリターンストリーマーの方が大きいのですが、数秒しか続かず、このためストリーマーのエネルギーは小さく、リターンストリーマーはコールドライティングストライクとも呼ばれています。
また、ダーツリーダーはホットライティングストライクとも呼ばれることがあります。
ダートリーダーで電流が小さいですが、それはほんの一瞬ですが数ミリ秒間持続します。したがって、エネルギー値はダートリーダーでより大きくなるのです。
落雷の種類
● 直接雷撃 （ダイレクトストライク）
直撃では、雷放電が直接雲から対象機器にある。ラインから、電流経路は、絶縁体を介してポールダウン地面になることがあります。
● 間接雷撃（インダイレクトストライク）
電荷雲の存在により、導体上に静電誘導された電荷による間接的な落雷です。
ダートリーダーで電流が小さいですが、それはほんの一瞬ですが数ミリ秒間持続します。したがって、エネルギー値はダートリーダーでより大きくなるのです。
落雷の種類
● 直接雷撃 （ダイレクトストライク）
直撃では、雷放電が直接雲から対象機器にある。ラインから、電流経路は、絶縁体を介してポールダウン地面になることがあります。
● 間接雷撃（インダイレクトストライク）
電荷雲の存在により、導体上に静電誘導された電荷による間接的な落雷です。
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