初級4
気象・自然科学
台風はどうやって生まれるのか
編集部
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01雷発生のメカニズム
このスライドでは、積乱雲の中で何が起きているのかを解説します。雷は積乱雲の中で電気がたまって起こります。氷粒やあられの衝突で電荷が分かれ、電場が強くなると放電が始まり、放電で光と音が発生します。雲の発達から放電・雷鳴までを順番に見ていきましょう。
02①積乱雲ができる
夏の強い日差しなどで地表付近の空気が暖まると、暖かい空気は軽くなり上昇します。上空で冷えることで水蒸気が水滴や氷になり、強い上昇気流によって積乱雲が大きく成長します。地表のあたたかく湿った空気が上昇気流をつくり、上空で冷えて水滴になることで積乱雲が発達していきます。雷は、こうした発達した積乱雲の中で起こりやすいのです。
03②雲の中で電気が分かれる
雲の中では氷の粒どうしが激しくぶつかりあい、ぶつかったときに電荷の受け渡しが起こります。氷晶はプラスになりやすく、あられはマイナスになりやすい性質があります。軽い氷晶は上昇気流で上へ運ばれやすく、重いあられは下に集まりやすいため、電荷の偏りが生まれます。この「電荷の分離」が雷の出発点となっています。
04③雲の中に電荷がたまる
雲の上部にはプラス電荷、下部にはマイナス電荷が集まりやすくなります。雲の下の地面には反対のプラス電荷が誘導されて集まるため、雲と地面の間で電場が強くなっていきます。電場とは電気の力がはたらく空間のことで、プラスの電荷が多い領域とマイナスの電荷が多い領域の間に強い電場が形成されます。電荷がたまるほど放電しやすくなります。
05④電場が限界をこえる
通常、空気は電気を通しにくい絶縁体です。しかし電場が非常に強くなると空気が電離し、空気の分子がプラスイオンと電子（マイナス）に分かれます。すると空気中に電気の通り道ができ、本格的な放電が始まります。この空気の「絶縁破壊」が雷の直前の状態であり、強い電場があると絶縁が破れます。
06⑤先に見えにくい放電が下りる
雲から地面へ向かって弱い放電が進みます。これを「先駆放電（ステップト・リーダー）」と呼び、一気ではなく段階的・階段状に進むのが特徴です。地面へ向かって枝分かれしながら進行しますが、人の目では見えにくく、雷の本体の前ぶれとなる重要なプロセスです。この時点ではまだ最も明るい雷光ではありません。
07⑥地上からも放電が立ち上がる
地上側でも上向きの放電（ストリーマ）が生じます。木や建物・避雷針の先から出やすく、高い場所ほど起こりやすいのが特徴です。雲からの放電（ステップドリーダー）と地上からの放電（ストリーマ）が互いに近づき、両者がつながると大電流が流れます。高い物体に雷が落ちやすいのはこのためです。雷は雲と地上の間で放電がつながることで発生します。
08⑦明るい雷光は「戻り放電」
先駆放電でつくられた通り道を、今度は大電流が下から上へ向かって流れます。これを「戻り放電」と呼び、私たちが見る明るい雷光の正体はこの強い放電です。電流で空気は一瞬で超高温になります。1回の雷で複数回の放電が同じ道を繰り返して起こることもあります。雷の通り道の空気は数万度に達するとされています。
09⑧雷鳴はどうして起こる？
放電で空気が一瞬で非常に高温になると、熱せられた空気が急激に膨張します。その衝撃波（急膨張）で音波が生まれ、雷鳴になります。光と音の速さの違いにより、光はすぐ届きますが音は遅れて聞こえます。雷光を見てから音が聞こえるまでの秒数で距離を見積もることができ、1秒あたりおよそ340メートルが目安です。
10まとめ：雷はこうして発生する
今回は雷発生のメカニズムについてお伝えしました。暖かい空気が上昇して積乱雲が発達し、雲の中で氷粒が衝突して電荷が分離します。電荷がたまって電場が強まると空気の絶縁が破れて放電がつながり、強い光が雷光となり空気の急膨張が雷鳴として聞こえます。雷注意報や空模様に注意し、屋外では高い物の近くを避け、安全な建物や車の中へ避難しましょう。