稲妻

雷は、大気中の2つの帯電領域（両方が大気中にある場合、または一方が大気中にありもう一方が地上にある場合）の間で発生する静電気放電によって形成される自然現象で、放電の種類に応じて平均200メガジュールから7ギガジュールのエネルギーがほぼ瞬時に放出され、一時的にこれらの電荷が中和されます。 ^{[1] [2] [3]この放電は、}電子の急速な動きによって生じる熱から、黒体放射の形での可視光の鮮やかな閃光まで、広範囲の電磁放射を生成する可能性があります。 雷は雷鳴を引き起こします。雷音は、放電付近のガスの圧力が突然上昇するときに発生する衝撃波によって発生します。 雷は、雷雨やその他のエネルギーの強い気象システムでよく発生しますが、火山の噴火時にも火山雷が発生することがあります。 雷は大気の電気現象であり、地球全体の大気の電気回路に寄与しています。

雷には主に3つの種類があり、発生する場所によって区別されます。単一の雷雲の中（雲内雷）、2つの雲の間（雲間雷）、雲と地面の間（雲間雷）で発生する場合、落雷と呼ばれます。 [ ^{4] [5]}他にも、遠くからでも見えるが音は聞こえない「熱雷」、森林火災を引き起こすことがある乾燥雷、科学的にはほとんど観測されない球雷など、観測上のさまざまな種類が知られています。

人類は何千年もの間、雷を神格化してきました。英語の「青天の霹靂」という表現など、雷に由来する慣用表現は、さまざまな言語でよく見られます。いつの時代も、人々は雷の光景や違いに魅了されてきました。雷に対する恐怖は、アストラフォビアと呼ばれます。

雷の写真として知られている最初のものは、1847年にトーマス・マーティン・イースタリーが撮影したものです。^[6]現在まで残っている最初の写真は、1882年にウィリアム・ニコルソン・ジェニングスが撮影したものです。 ^[7]ジェニングスは、 半生をかけて雷の写真を撮り、その多様性を証明することに費やした写真家です。

粒子状物質の排出（大気汚染の一形態）によって雷の活動が増加するという証拠が増えています。 ^{[8] [9] [10]}しかし、雷は空気の質を改善し、大気中のメタンなどの温室効果ガスを浄化する一方で、窒素酸化物とオゾンを同時に生成する可能性があります。^[11]雷は山火事の主な原因でもあり、^[12]山火事は気候変動にも寄与する可能性があります。^[13]これらの関係を明らかにするには、さらなる研究が必要です。

帯電プロセスの詳細は科学者らによりまだ研究中であるが、雷雨の帯電に関する基本概念のいくつかについては一般的な合意が得られている。帯電は摩擦電気効果によって起こり、衝突する物体間で電子またはイオンが移動する。帯電していない衝突する水滴は、雷雲内に存在するような電界内で水滴（水性イオンとして）間で電荷が移動するため帯電することがある。^[14]雷雨における主な帯電領域は、嵐の中心部で空気が急速に上昇し（上昇気流）、気温が -15 ～ -25 °C（5 ～ -13 °F）の範囲にあるときに発生する（図 1 を参照）。その領域では、気温と急速な上昇気流の組み合わせにより、過冷却された雲粒（氷点下の小さな水滴）、小さな氷晶、およびあられ（柔らかい雹）の混合物が発生する。上昇気流は過冷却された雲粒と非常に小さな氷晶を上方に運ぶ。

同時に、霰はそれよりかなり大きくて密度が高いため、上昇気流中に落ちたり浮遊したりする傾向がある。^[15]

降水の動きの違いにより衝突が起こります。上昇する氷晶が霰と衝突すると、氷晶は正に帯電し、霰は負に帯電します（図2参照）。上昇気流は正に帯電した氷晶を嵐の雲の上部に向かって上方に運びます。より大きく密度の高い霰は雷雲の中央に浮遊するか、嵐の下部に向かって落下します。^[15]

その結果、雷雲の上部は正に帯電し、雷雲の中部から下部は負に帯電する。^[15]

嵐内の上昇運動と大気圏上層の風により、雷雲上部の小さな氷晶（および正電荷）が雷雲底からある程度離れたところまで水平方向に広がる傾向がある。雷雲のこの部分は金床と呼ばれる。これが雷雲の主な帯電プロセスであるが、これらの電荷の一部は嵐内の空気の動き（上昇気流と下降気流）によって再分配される可能性がある。さらに、降雨と気温上昇により、雷雲の底部近くに小さいながらも重要な正電荷が蓄積される。^[15]

純粋な液体の水における電荷の誘導分離は、摩擦電気効果による純粋な液体の水の帯電と同様に、1840年代から知られていました。^[16]

ウィリアム・トムソン（ケルビン卿）は、水中での電荷分離が地球表面の通常の電界で起こることを実証し、その知識を使って連続電界測定装置を開発した。^[17]

液体の水を使用して電荷を異なる領域に物理的に分離することは、ケルビンによってケルビン水スポイトで実証されました。最も可能性の高い電荷を運ぶ種は、水性水素イオンと水性水酸化物イオンであると考えられました。^[18]

固体の水氷の電荷も考慮されている。荷電種はやはり水素イオンと水酸化物イオンであると考えられている。^{[19] [20]}

雷雨が発生する時間スケールにおいては、水酸化物イオンと溶解水素を含む液体水中の電子は安定ではない。^[21]

雷の電荷キャリアは主にプラズマ中の電子です。^[22]液体の水または固体の水に関連するイオン（正の水素イオンと負の水酸化物イオン）としての電荷から雷に関連する電子としての電荷に移行するプロセスには、何らかの形の電気化学、つまり化学種の酸化および/または還元が関与している必要があります。[ ^23]水酸化物は塩基として機能し、二酸化炭素は酸性ガスであるため、負の電荷が水性水酸化物イオンの形で存在する帯電水雲が大気中の二酸化炭素と相互作用して水性炭酸イオンと水性炭酸水素イオンを形成する可能性があります。

典型的な雲対地雷は、雲の中から地表まで、高さ5km（3.1マイル）を超える空気中に導電性プラズマチャネルを形成することで最高潮に達します。実際の放電は、非常に複雑なプロセスの最終段階です。 ^[24]ピーク時には、典型的な雷雨は1分間に3回以上の雷撃を地球に与えます。^[25]

雷は主に暖かい空気が冷たい空気塊と混ざり合ったときに発生し、^[26]大気を分極させるために必要な大気の擾乱を引き起こします。^[27]

雷は砂嵐、森林火災、竜巻、火山噴火の際にも発生することがあり、冬の寒い時期にも発生することがあります。冬の雷は雷雪として知られています。^{[28] [29]} ハリケーンは通常、中心から160 km (99 マイル) 以内の降水帯を中心に雷を発生させます。^{[30] [31] [32]}

雷は地球上に均等に分布しているわけではありません。地球上の雷の発生頻度は1秒間に約44（±5）回、年間約14億回の閃光に相当します^[34] 。また、雷の持続時間の中央値は0.52秒です^{[35] 。これは、約60～70}マイクロ秒の非常に短い閃光（ストローク）の連続で構成されています^[36]。

世界の特定の地域における典型的な雷の頻度、分布、強さ、物理的特性には、多くの要因が影響します。これらの要因には、地表の標高、緯度、卓越風、相対湿度、暖かい水域と冷たい水域への近さなどがあります。中緯度では、雲内雷、雲間雷、雲対地雷の割合も季節によってある程度変化することがあります。

人間は地上に生息し、その所有物のほとんどが雷によって損傷を受けたり破壊されたりする地球上にあるため、雲中雷（IC）や雲間雷（CC）の方が一般的なタイプの雷であるにもかかわらず、3 つのタイプの中では雲対地雷（CG）が最も研究され、最もよく理解されています。雷は比較的予測不可能であるため、何百年にもわたる科学的調査を経ても、雷がどのように、なぜ発生するかを完全に説明することは困難です。雷の約 70% は、大気の対流が最も大きい 熱帯地方の陸上で発生します^{[37] 。}

これは、暖かい気団と冷たい気団の混合と水分濃度の差の両方から発生し、通常はそれらの境界で発生します。メキシコ湾流などの乾燥した陸地を通過する暖かい海流の流れは、米国南東部での雷の頻度が高いことを部分的に説明しています。大きな水域には大気の混合をもたらす地形の変化がないため、世界中の海上では陸地よりも雷の頻度が著しく低くなります。北極と南極は雷雨の範囲が限られているため、雷が最も少ない地域になります。^{[説明が必要]}

一般的に、CG 雷は世界中の全雷の 25% を占めるだけです。雷雨の基部は通常負に帯電しているため、CG 雷のほとんどはここから発生します。この領域は通常、雲内で凍結が発生する高度にあります。凍結は、氷と水の衝突と相まって、初期の電荷の発生と分離のプロセスにおいて重要な部分であると思われます。風による衝突の間、氷の結晶は正に帯電する傾向があり、一方、より重く、氷と水のぬかるんだ混合物 (霰と呼ばれる) は負に帯電します。嵐の雲内の上昇気流により、軽い氷の結晶がより重い霰から分離され、雲の上部領域では正の空間電荷が蓄積され、下部では負の空間電荷が蓄積されます。

雲内の集中電荷は空気の絶縁特性を超えなければならず、これは雲と地面の間の距離に比例して増加するため、雲が地面に近づくほどCG雷撃の割合（CCまたはIC放電に対して）は大きくなります。熱帯地方では、大気中の氷点が一般的に高いため、雷閃光のわずか10％がCGです。ノルウェーの緯度（北緯約60度）では、氷点の高度が低く、雷の50％がCGです。^{[38] [39]}

雷は通常、積乱雲によって発生します。積乱雲の基部は通常、地上から 1～2 km (0.62～1.24 マイル) の高さにあり、最高 15 km (9.3 マイル) の高さに達します。

地球上で雷が最も多く発生する場所はマラカイボ湖の上空で、カタトゥンボ雷現象により1日250回の雷が発生しています。^[40]この現象は平均して年間297日発生します。^{[41] 2番目に雷密度が高いのは}コンゴ民主共和国東部の山岳地帯にあるキフカ村の近くで、^[42]標高は約975メートル（3,200フィート）です。この地域では平均して1平方キロメートルあたり年間158回の落雷が発生しています（410/平方マイル/年）。^[43]その他の雷のホットスポットにはシンガポール^[44]やセントラルフロリダのライトニングアレーなどがあります。^{[45] [46]}

世界気象機関（WMO）によると、2020年4月29日、米国南部で長さ768km（477.2マイル）の稲妻が観測された。これは、これまでの距離記録（ブラジル南部、2018年10月31日）よりも60km（37マイル）長いものだった。^[47] 2020年6月18日、ウルグアイとアルゼンチン北部で発生した単発の稲妻は17.1秒間続き、これまでの記録（2019年3月4日、同じくアルゼンチン北部）よりも0.37秒長かった。^[47]

静電放電が発生するには、2 つの前提条件が必要です。まず、空間の 2 つの領域間に十分に高い電位差が存在する必要があり、次に、高抵抗媒体が反対の電荷の自由で妨げられない均等化を妨害する必要があります。大気は、反対極性の帯電領域間の自由な均等化を防ぐ電気絶縁体、つまりバリアを提供します。

雷雨の際には雲の特定の領域で電荷の分離と凝集が起こることはよく知られていますが、これがどのように起こるのか正確なプロセスは完全には理解されていません。^[48]

雷雲が地球の表面上を移動すると、雲の下の地球の表面に、等しいが極性が反対の電荷が誘導されます。誘導された正の表面電荷は、固定点に対して測定すると、雷雲が近づくにつれて小さくなり、嵐の中心に到達するにつれて増加し、雷雲が通過すると減少します。誘導された表面電荷の基準値は、大まかにベル曲線で表すことができます。

反対に帯電した領域は、その間の空気中に電界を作り出します。この電界は、雷雲の底の表面電荷の強さに応じて変化します。蓄積された電荷が大きいほど、電界も高くなります。

最もよく研​​究され、理解されている雷の形態は、雲対地 (CG) 雷です。雲内 (IC) 雷と雲対雲 (CC) 雷は、より一般的ですが、雲内に監視する「物理的な」ポイントがないため、研究が非常に困難です。また、雷が同じポイントに繰り返して継続的に落ちる可能性が非常に低いため、CG 頻度が高い地域でも科学的な調査は困難です。

よく理解されていないプロセスでは、雷雲内の反対に帯電した領域の間に「リーダー」と呼ばれるイオン化された空気の双方向チャネルが開始されます。リーダーは、リーダーの先端の電荷と反対の電荷を持つ領域を伝播するか、または引き付けられる、イオン化されたガスの導電性チャネルです。双方向リーダーの負の端は、雲内の正電荷領域（井戸とも呼ばれます）を満たし、正の端は負電荷の井戸を満たします。リーダーはしばしば分岐し、木のようなパターンで枝を形成します。^[49]さらに、負のリーダーと一部の正のリーダーは、「ステッピング」と呼ばれるプロセスで不連続に動きます。リーダーの結果として生じるぎくしゃくした動きは、稲妻のスローモーションビデオで簡単に観察できます。

リーダーの片方の端が反対の電荷を帯びた井戸を完全に満たし、もう一方の端がまだアクティブである可能性があります。これが発生すると、井戸を満たしたリーダーの端が雷雲の外に伝播し、雲対空閃光または雲対地閃光のいずれかが発生します。典型的な雲対地閃光では、双方向リーダーが雷雲の主な負電荷領域と低い正電荷領域の間で発生します。弱い正電荷領域は負のリーダーによってすぐに満たされ、誘導的に帯電した地面に向かって伝播します。

正電荷と負電荷を帯びた先導粒子は、雲の中では正電荷が上向き、地球に向かっては負電荷が上向きという逆方向に進みます。両方のイオンチャネルは、それぞれの方向に、いくつかの連続した噴出で進みます。各先導粒子は、先端にイオンを「溜め」、1 つ以上の新しい先導粒子を噴出させ、一時的に再び溜めて電荷イオンを集中させ、別の先導粒子を噴出します。負電荷を帯びた先導粒子は、下向きに伝播し、分裂し続け、地球の表面に近づくにつれて速度が上がることがよくあります。

「プール」間のイオンチャネルの長さの約90％は、約45メートル（148フィート）の長さです。^[50]イオンチャネルの確立には、数十マイクロ秒以内に発生する放電と比較して、比較的長い時間（数百ミリ秒）がかかります。チャネルを確立するために必要な電流は数十または数百アンペアで測定されますが、実際の放電中のその後の電流に比べると小さいです。

雷の先導の開始はよくわかっていない。雷雲内の電界強度は、通常、それ自体でこのプロセスを開始するほど大きくない。^[51]多くの仮説が提案されている。1つの仮説は、相対論的電子のシャワーが宇宙線によって生成され、その後、暴走破壊と呼ばれるプロセスによってより高速に加速されると仮定している。これらの相対論的電子が衝突して中性空気分子をイオン化すると、先導の形成が開始される。別の仮説では、細長い水滴または氷の結晶の近くに局所的に強化された電界が形成される。^[52] パーコレーション理論、特に偏りのあるパーコレーションの場合、^{[53] [説明が必要]}は、落雷に似た接続構造の進化を生み出すランダムな接続現象を説明します。ストリーマー雪崩モデル^[54]は、嵐の間に LOFAR によって取得された観測データによって最近支持されています。^{[55] [56]}

階段状のリーダーが地面に近づくと、地面の反対電荷の存在により電界の強度が増す。電界は、樹木や高層ビルなど、雷雲の底に最も近い頂部を持つ接地物体で最も強くなる。電界が十分に強い場合、これらの点から正電荷のイオンチャネル（正または上向きのストリーマーと呼ばれる）が発生する可能性がある。これはハインツ・ケーゼミールによって初めて理論化された。^{[57] [58] [59]}

負に帯電したリーダーが近づき、局所的な電界強度が増加すると、すでにコロナ放電が発生している接地された物体は閾値を超え、上向きのストリーマーを形成します。

下向きのリーダーが利用可能な上向きのリーダーに接続すると、接続と呼ばれるプロセスにより低抵抗の経路が形成され、放電が発生する可能性があります。接続されていないストリーマーがはっきりと見える写真が撮影されています。接続されていない下向きのリーダーは分岐雷でも見ることができますが、どれも地面に接続されていないように見えます。高速ビデオでは、進行中の接続プロセスを表示できます。^[60]

導電チャネルが雲内の負電荷過剰と下の表面正電荷過剰の間の空隙を橋渡しすると、雷チャネル全体の抵抗が大きく低下します。その結果、電子は付着点から始まる領域で急速に加速し、最大光速の3分の1の速度でリーダーネットワーク全体に広がります。^[61]これが「帰還雷撃」であり、雷放電の 最も明るく目立つ部分です。

大きな電荷が雲から地面へとプラズマチャネルに沿って流れ、電子が落雷地点から周囲に流れていくにつれて、地面の正電荷を中和します。この巨大な電流の急増により、地面の表面に沿って大きな放射状の電位差が発生します。ステップ電位と呼ばれるこの現象は、^{落雷自体よりも、}集団や他の動物の負傷や死亡の原因となっています。^[62]電気は利用可能なすべての経路をたどります。^[63] このようなステップ電位により、電流が片方の足からもう片方の足に流れ出ることが多く、落雷地点の近くに立っていた不運な人間や動物は感電します。

典型的な負の CG 雷の場合、帰還雷撃の電流は平均 30 キロアンペアで、これは「負の CG」雷とも呼ばれます。場合によっては、地対雲 (GC) 雷撃は嵐の下の地面の正電荷領域から発生することがあります。これらの放電は通常、通信アンテナなどの非常に高い構造物の頂上から発生します。帰還雷撃電流が伝わる速度は、約 100,000 km/s (光速の 3 分の 1) であることがわかっています。^[64]

戻りストローク中に発生する大量の電流とその発生速度（マイクロ秒単位で測定）により、完成したリーダーチャネルが急速に過熱され、導電性の高いプラズマチャネルが形成されます。戻りストローク中のプラズマの中心温度は27,800 °C（50,000 °F）を超えることがあり、^[65]鮮やかな青白色で放射します。電流の流れが止まると、チャネルは数十または数百ミリ秒かけて冷却および消散し、多くの場合、断片化された輝くガスの斑点として消えます。戻りストローク中のほぼ瞬間的な加熱により、空気が爆発的に膨張し、雷鳴として聞こえる強力な衝撃波が発生します。

高速度ビデオ（フレームごとに検査）では、ほとんどのネガティブCGの稲妻の閃光は3つまたは4つの個別のストロークで構成されていることがわかりますが、最大30のストロークで構成される場合もあります。^[66]

それぞれの再放電は、通常40～50ミリ秒という比較的長い時間間隔で行われ、これは雲内の他の帯電領域が次の放電で放電されるためである。再放電はしばしば顕著な「ストロボ光」効果を引き起こす。^[67]

複数の帰還雷撃が同じ雷経路を利用する理由を理解するには、負のリーダーが地面と接触した後に典型的な地上雷撃が実際になる正のリーダーの挙動を理解する必要がある。正のリーダーは負のリーダーよりも急速に減衰する。理由はよくわかっていないが、双方向リーダーは減衰した正のリーダーの先端で発生する傾向があり、その先端では負の端がリーダーネットワークを再イオン化しようとする。これらのリーダーは反動リーダーとも呼ばれ、通常は形成後すぐに減衰する。メインリーダーネットワークの導電部分と接触すると、帰還雷撃のようなプロセスが発生し、ダートリーダーが元のリーダーの長さの全部または一部を横切る。地面と接触するダートリーダーが、その後の帰還雷撃の大部分の原因となる。^[68]

それぞれの連続ストロークの前には、最初の戻りストロークよりも立ち上がり時間は速いが振幅は小さい中間ダートリーダーストロークが先行する。通常、後続のストロークは、前のストロークで使用された排出チャネルを再利用しますが、風によってホットチャネルが移動するため、チャネルは前の位置からずれることがあります。^[69]

負のリーダーでは反動とダートリーダーのプロセスが発生しないため、その後の戻りストロークが正のグラウンドフラッシュと同じチャネルを使用することはほとんどありません。これについては、この記事の後半で説明します。^[68]

典型的な負の CG 雷放電内の電流は、1～10 マイクロ秒でピーク値まで急速に上昇し、その後 50～200 マイクロ秒かけてゆっくりと減少します。雷放電内の電流の過渡的性質により、地上構造物を効果的に保護する際に対処する必要があるいくつかの現象が発生します。急速に変化する電流は、ホースを通る水のように導体全体を「流れる」直流電流とは異なり、表皮効果と呼ばれる現象で導体の表面を伝わる傾向があります。したがって、施設の保護に使用される導体は、細いワイヤを編み込んだ多重撚線になる傾向があります。これにより、総断面積が固定されている場合、個々の撚線の半径に反比例して、束の総表面積が増加します。

急速に変化する電流は、イオンチャネルから外側に放射される電磁パルス（EMP）も生成します。これはすべての放電の特性です。放射されたパルスは、発生源からの距離が増すにつれて急速に弱まります。ただし、電力線、通信線、金属パイプなどの導電性要素を通過すると、終端に向かって外側に移動する電流を誘導する場合があります。サージ電流はサージインピーダンスと反比例します。インピーダンスが高いほど、電流は低くなります。^[70]これは、多くの場合、繊細な電子機器、電気製品、または電気モーターの破壊につながるサージです。これらのラインと並列に接続されたサージプロテクタ（SPD）または過渡電圧サージサプレッサ（TVSS）と呼ばれるデバイスは、雷フラッシュの過渡的な不規則電流を検出し、その物理的特性を変更することでスパイクを接続されたアースにルーティングし、機器を損傷から保護します。

3 つの主要なタイプの稲妻は、フラッシュ チャネルの「開始」ポイントと「終了」ポイントによって定義されます。

• 雲内雷(IC) または雲内雷は、単一の雷雲ユニット内で発生します。
• 雲間雷(CC) または雲間雷は、2 つの異なる「機能的な」雷雲ユニット間で始まり、終わります。
• 雲対地(CG) 雷は主に雷雲で発生し、地球の表面で終了しますが、逆方向、つまり地面から雲に発生することもあります。

各タイプには、「正」と「負」の CG フラッシュなど、測定可能な共通の異なる物理的特性を持つバリエーションがあります。特定の雷現象を説明するために使用される異なる一般名は、同じ現象または異なる現象に起因している場合があります。

対地雷(CG) は、雷雲と地面の間で発生する雷放電です。これは、雲から下降する段階的な先導雷と、地面から上昇するストリーマー雷によって発生します。

CG は最も一般的ではありませんが、すべてのタイプの雷の中で最もよく理解されています。CG は物理的な物体、つまり地面で終わり、地上の機器で測定できるため、科学的に研究するのが簡単です。3 つの主要なタイプの雷のうち、CG は地面で終わるか「落雷」するため、生命と財産に最も大きな脅威をもたらします。

全体的な放電はフラッシュと呼ばれ、予備的なブレークダウン、ステップ状のリーダー、接続リーダー、リターンストローク、ダートリーダー、および後続のリターンストロークなどのいくつかのプロセスで構成されています。^[71]電気接地の導電性は、土壌、淡水、または塩水であっても、雷の放電率、ひいては目に見える特性に影響を与える可能性があります。^[72]

雲対地雷（CG雷）は、雲と地面の間の従来の電流の方向によって定義される正または負のいずれかです。ほとんどのCG雷は負であり、負の電荷が地面に転送され、電子が雷の経路に沿って下向きに移動します（通常、電流は地面から雲に流れます）。正のCGフラッシュでは逆のことが起こり、電子が雷の経路に沿って上向きに移動し、正の電荷が地面に転送されます（通常、電流は雲から地面に流れます）。正の雷は負の雷よりも一般的ではなく、平均してすべての落雷の5％未満を占めます。^[73]

正雷の形成につながるメカニズムは6つあると理論化されている。^[74]

• 垂直の風のせん断により、雷雲の上部の正電荷領域が変位し、その下の地面に露出します。
• 雷雨の消散段階で低電荷領域が失われ、主な正電荷領域が残ります。
• 雷雲内の電荷領域の複雑な配置により、主な負電荷領域が主な正電荷領域の下ではなく上にある逆双極子または逆三極子が効果的に生じます。
• 雷雲内の異常に広い低正電荷領域。
• 延長された負のリーダーを起点から切断し、正の端が地面に当たる新しい双方向リーダーを作成します。これは、アンビル クローラー スパイダー フラッシュでよく見られます。
• IC 雷フラッシュからの下向きの正の分岐の開始。

一般に信じられていることとは反対に、正極性の雷は必ずしも金床または上部正電荷領域から発生し、雷雨の外側の雨のない領域を襲うわけではありません。この考えは、雷の先導線は単極性であり、それぞれの電荷領域から発生するという時代遅れの考えに基づいています。^{[引用が必要]}

正極性の雷撃は負極性の雷撃よりもはるかに強力になる傾向がある。平均的な負極性の雷撃は30,000アンペア（30 kA）の電流を流し、15 C（クーロン）の電荷と1ギガジュールのエネルギーを伝達する。大きな正極性の雷撃は最大120 kAと350 Cを流すことがある。^[75]平均的な正極性の地上閃光は典型的な負極性の雷撃のおよそ2倍のピーク電流を持ち、最大400 kAのピーク電流と数百クーロンの電荷を生み出すことがある。^{[76] [77]}さらに、高いピーク電流を伴う正極性の地上閃光の後には長く続く電流が続くのが一般的であるが、これは負極性の地上閃光には見られない相関関係である。^[78]

正の雷撃は、その威力が大きいため、負の雷撃よりもかなり危険です。正の雷撃は、より高いピーク電流とより長い継続電流の両方を発生するため、表面をはるかに高いレベルまで加熱することができ、火災が発生する可能性が高くなります。正の雷撃は澄んだ空気中を長距離伝播するため、観察者に警告を与えず「青天の霹靂」と呼ばれるのです。

^これらは正電荷領域から発生するように見えるため、正電荷の雷撃であると一般に誤解されているが、観測により^{、これらは実際には負電荷の閃光であること}がわかった。これらは雲内のIC閃光として始まり、負の先導雷が正電荷領域から雲を抜け、澄んだ空気中を伝播して、ある程度離れた地面に落ちる。^{[79] [80]}

正極性雷は、高層建築物の頂上から上向きの雷放電の発生を誘発することも示されており、地上数十キロメートルの高さでスプライトの発生に大きく関与している。正極性雷は、冬の嵐、雷雪、激しい竜巻^{[81] 、}雷雨の消散段階でより頻繁に発生する傾向がある。^[82]大量の極低周波（ELF）および超低周波（VLF）の電波も生成される。^[83]

雷放電は、地面に接触することなく雲の間で発生することがあります。2つの別々の雲の間で発生する場合は、雲間雷（CC）または雲間雷と呼ばれます。1つの雲内の異なる電位の領域間で発生する場合は、雲内雷（IC）と呼ばれます。IC雷は最も頻繁に発生するタイプです。^[82]

IC 雷は、特定の雷雨の上部のアンビル部分と下部の間で最も一般的に発生します。この雷は、いわゆる「シート雷」として夜間に遠くから観察されることがあります。このような場合、観察者は雷鳴を聞かずに光の閃光だけを見ることがあります。

雲間雷または雲間雷と雲間雷と地面雷の別名は「アンビル クローラー」です。電荷の性質から、アンビルの下または内部で発生し、雷雨の上層雲を駆け抜け、しばしば劇的な複数の分岐雷を発生させます。これらは通常、雷雨が観測者の上を通過するか、減衰し始めるときに見られます。最も鮮明なクローラー現象は、広範囲にわたる後方アンビルのせん断を特徴とする、十分に発達した雷雨で発生します。

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  インド、ニューデリーの雲から雲への稲妻の分岐。
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  オーストラリア、スウィフトクリークの雲間雷の複数の経路。
• 
  バルト海上空の雲間雷。
• 
  雲間雷、オーストラリア、アルベリー

雷に打たれた物体は、非常に大きな熱と磁力を受ける。雷電流が木を伝わることで発生する熱によって樹液が蒸発し、水蒸気爆発を起こして幹が破裂することがある。雷が砂地を伝わると、プラズマの通路の周囲の土壌が溶けて、フルグライトと呼ばれる管状の構造が形成されることがある。

雷が地面への妨げのない経路を探すため、雷に打たれた建物や高層建築物は損傷を受ける可能性があります。雷を安全に地面に導くことで、通常は少なくとも 1 本の避雷針を組み込んだ避雷システムにより、重大な物的損害の可能性を大幅に減らすことができます。

航空機は金属製の機体のため、落雷の危険が非常に高いが、落雷は一般的に航空機にとって危険ではない。^[84]アルミニウム合金の導電性により、機体はファラデーケージとして働く。現代の航空機は落雷に対して安全となるように作られており、乗客は落雷が起こったことさえ通常は気付かない。

雷に打たれた人間の90％は生き残りますが、^[85]人間を含む動物は雷に打たれた場合、内臓や神経系の損傷により 重傷を負う可能性があります。

雷は空気中の二原子窒素を硝酸塩に酸化することで窒素循環に重要な役割を果たし、硝酸塩は雨によって堆積し、植物や他の生物の成長を肥沃にします。^{[86] [87]}

地上の雷の静電放電は、短時間に放電経路の長さに沿って空気をプラズマ温度まで過熱するため、運動理論によれば、気体分子の圧力が急激に増加し、雷から外側に膨張して、雷鳴として聞こえる衝撃波が発生します。音波は単一の点源からではなく、雷の経路の長さに沿って伝播するため、観測者からの音源の距離が変化すると、転がったりゴロゴロと鳴ったりする効果が生じる可能性があります。音響特性の知覚は、雷経路の不規則で分岐している可能性のある形状、地形からの音響反響、および通常は複数回の落雷特性などの要因によってさらに複雑になります。

光の速度は約 300,000,000 m/s (980,000,000 フィート/s) で進み、音は空気中を約 343 m/s (1,130 フィート/s) で進みます。観測者は、目に見える稲妻とそれが生成する聞こえる雷鳴の間隔を計測することで、落雷までの距離を概算できます。雷鳴の 1 秒前に稲妻が光る場合、距離は約 343 m (1,125 フィート) です。3 秒遅れると、距離は約 1 km または 0.62 マイル (3 × 343 m) になります。雷鳴の 5 秒前に稲妻が光る場合、距離は約 1.7 km または 1.1 マイル (5 × 343 m) になります。したがって、非常に近い距離で観測された落雷は、ほとんど知覚できる時間の経過のない突然の雷鳴を伴い、オゾン( O ₃ ) の臭いが伴う可能性があります。

十分な距離にある雷は見えても聞こえないことがあります。雷雨は 160 km (100 マイル) 以上離れた場所からでも見えるのに対し、雷の音は約 32 km (20 マイル) 移動するというデータがあります。逸話的に、「嵐は真上または周囲にあったが、雷は鳴らなかった」と言う例はたくさんあります。雷雲は 20 km の高さに達することがあるため、^[88]雲の高いところで発生する雷は近くにあるように見えるかもしれませんが、実際には目立った雷を発生させるには遠すぎます。

雷放電は無線周波数パルスを発生させ、そのパルスは発生源から数千キロメートル離れた場所でも電波大気信号やホイッスラーとして受信されます。

雷によるX線の発生は、1925年にCTRウィルソンによって早くも予測されていたが^[89]、2001年か2002年まで証拠は見つからなかった。^{[90] [91] [92]}ニューメキシコ鉱山技術研究所の研究者らが、嵐の雲に打ち上げられたロケットの後ろに引かれた接地線に沿った誘導雷撃によるX線放射を検出した。同年、フロリダ大学とフロリダ工科大学の研究者らは、北フロリダの雷研究施設で電界とX線検出器のアレイを使用し、自然の雷が階段状の雷の伝播中に大量のX線を発生することを確認した。雷の温度は観測されたX線を説明できないほど低いため、X線放射の原因はまだ研究中である。^{[93] [94]}

宇宙望遠鏡による数々の観測により、さらに高エネルギーのガンマ線放出、いわゆる地上ガンマ線フラッシュ（TGF）が明らかになった。これらの観測は、特に雷で生成される反物質の明確な特徴が最近発見されたことにより、現在の雷理論に疑問を投げかけている。^{[95]最近の研究では、これらのTGFによって生成される}電子、陽電子、中性子、陽子などの二次種は、最大で数十MeVのエネルギーを獲得できることが示されている。^{[96] [97]}

雷によって発生する非常に高い温度は、オゾンと窒素酸化物の局所的な増加につながります。温帯および亜熱帯地域では、1回の雷で平均7kgのNO _x^{が生成されます。 [98]}対流圏では、雷の影響によりNO _xが90%、オゾンが30%増加する可能性があります。^[99]

火山活動は、さまざまな方法で雷が発生しやすい条件を作り出します。爆発的に大気中に放出された大量の粉砕物質とガスは、高密度の粒子の煙を作り出します。火山の煙の中の灰の密度と絶え間ない動きにより、摩擦相互作用 (摩擦帯電) によって電荷が生成され、その結果、雲が自らを中和しようとするときに非常に強力で頻繁な閃光が発生します。通常の雷雲の水分を多く含む電荷生成ゾーンとは異なり、固形物質 (灰) の含有量が多いため、ダーティ雷雨と呼ばれることがよくあります。

• 西暦79年のベスビオ山の噴火のころから、火山の噴煙の中で強力かつ頻繁な閃光が小プリニウスによって目撃されている。^[100]
• 同様に、火山の側面にある噴出口から発生する蒸気や灰は、長さ 2.9 km 以上のより局所的で小規模な閃光を引き起こす可能性があります。
• 最近、噴出したばかりのマグマの近くで記録された小さくて短時間の火花は、物質が大気圏に入る前から高電荷を帯びていたことを証明している。^[101]

火山灰の噴煙が氷点下まで上昇すると、氷の粒子が形成され、灰の粒子と衝突して帯電を引き起こします。雷はどの爆発でも検出できますが、灰の中の氷の粒子による追加の帯電により、電界が強くなり、検出可能な雷の発生率が高くなります。雷は、危険な噴火を検出するための火山監視ツールとしても使用されています。^[102]

2019～20年のオーストラリアの森林火災シーズンに見られたような激しい森林火災は、独自の気象システムを作り出し、雷やその他の気象現象を引き起こす可能性があります。^{[103]火災による強烈な熱により、煙の柱の中で空気が急速に上昇し、}火災積乱雲が形成されます。この乱気流の上昇気流によって冷たい空気が引き込まれ、煙の冷却に役立ちます。上昇する煙は高高度の低い気圧によってさらに冷やされ、煙の中の水分が雲に凝縮します。火災積乱雲は不安定な大気の中で形成されます。これらの気象システムは、乾燥した雷、火災竜巻、強風、汚れた雹を引き起こす可能性があります。^[103]

雷は木星、土星、^[104]およびおそらく天王星と海王星などの他の惑星の大気圏でも観測されている。^[104]木星の雷は地球と同じメカニズムで発生しているように見えるが、地球よりもはるかにエネルギーが強い。最近、木星で新しいタイプの雷が検出され、アンモニアを含む「マッシュボール」から発生すると考えられている。^[105]土星の雷は当初「土星静電放電」と呼ばれ、ボイジャー1号ミッションによって発見された。^[104]

金星の雷は、何十年にもわたる研究を経ても議論の的となっている。1970年代から1980年代にかけてのソ連のベネラと米国のパイオニアのミッションでは、上層大気に雷が存在する可能性を示唆する信号が検出された。 ^{[106] 1999年の}カッシーニ・ホイヘンス計画による金星の短時間のフライバイでは雷の兆候は検出されなかったが、探査機ビーナス・エクスプレス（2006年4月に金星の周回を開始）が記録した電波パルスは、金星の雷に由来する可能性がある。^[107]

• 飛行機雲も雷にわずかながら影響を与えることが観察されている。水蒸気を多く含む飛行機雲は、大気中の抵抗の少ない経路となり、雷が通るイオン経路の形成に何らかの影響を与える可能性がある。^[108]
• ロケットの排気煙が、離陸直後にアポロ12号ロケットに雷を落とすのが目撃された際、雷の通り道となった。
• 熱核爆発は、電気伝導のための余分な物質と非常に乱れた局所的な大気を提供することで、キノコ雲内で雷の閃光を誘発することが観察されている。さらに、大規模な核爆発からの強力なガンマ線は、コンプトン散乱を通じて周囲の空気中に強く帯電した領域を発生させる可能性がある。強く帯電した空間電荷領域は、爆発直後に複数の晴天雷放電を引き起こす。^[109]

雷の科学は雷学と呼ばれます。

雷は雷鳴を引き起こします。雷鳴は、放電付近のガスが突然非常に高い温度に加熱される際に発生する衝撃波から生じる音です。雷鳴は、雷自体の数秒後に聞こえることがよくあります。^[110]雷鳴は、長いストロークの異なる部分からの音がわずかに異なる時間に到達するため、次第に消えていく轟音として聞こえます。^[111]

局所的な電界が湿った空気の誘電強度（約 3 MV/m）を超えると、放電によって雷撃が発生し、その後に同じ経路から分岐する相応の放電が続くことが多い。電荷が蓄積して雷が発生するメカニズムは、まだ科学的調査の対象となっている。^{[112] [113]} 2016 年の研究では、誘電破壊が関与していることが確認された。^{[114]雷は、暖かく湿気を含んだ空気が}電界を循環することで発生する可能性がある。^[115]氷や水の粒子は、その後、ヴァンデグラフ発電機のように電荷を蓄積する。^[116]

フロリダ大学の研究者らは、観測された10回の閃光の最終的な一次元速度が1.0 × 10⁵と1.4 × 10⁶ m/s、平均4.4 × 10⁵メートル/秒^[117]

雷雨の接近を警告するために発明された最も古い検出器は雷ベルでした。ベンジャミン・フランクリンはそのような装置を自宅に設置しました。^{[118] [119]この検出器は、1742年に}アンドリュー・ゴードンが発明した「電気チャイム」と呼ばれる静電装置に基づいていました。

雷放電は、無線周波数パルスを含む広範囲の電磁放射を発生させます。特定の雷放電からのパルスが複数の受信機に到達する時間を使用して、メートル単位の精度で放電の発生源を特定できます。米国連邦政府は、このような雷検出器の全国的なグリッドを構築し、米国本土全体で雷放電をリアルタイムで追跡できるようにしました^{[120] [121]}

さらに、Blitzortung（趣味家やボランティアが所有・運営する500以上の検出ステーションで構成される民間のグローバル検出システム）は、[1]でほぼリアルタイムの雷マップを提供しています。

地球電離層導波管は、超低周波および極低周波の電磁波を捕捉する。落雷によって伝達された電磁パルスは、この導波管内を伝播する。導波管は分散性があり、つまり、その群速度は周波数に依存する。隣接する周波数における雷パルスの群時間遅延の差は、送信機と受信機間の距離に比例する。方向探知法と組み合わせることで、落雷の発生源から最大 10,000 km 離れた場所まで落雷の位置を特定できる。さらに、地球電離層導波管の固有周波数、約 7.5 Hz のシューマン共振は 、地球規模の雷雨活動の判定に使用されている。^[122]

地上での雷検出に加えて、雷の分布を観測するために衛星に搭載されたいくつかの機器が構築されました。これには、1995年4月3日に打ち上げられたOrbView-1衛星に搭載された光過渡検出器（OTD）と、1997年11月28日に打ち上げられたTRMMに搭載された雷画像センサー（LIS）が含まれます。 ^{[123] [124] [125]}

2016年から、アメリカ海洋大気庁は、静止気象衛星Rシリーズ（GOES-R）を打ち上げました。この衛星には、近赤外線光学過渡検出器である静止気象衛星雷マッパー（GLM）が搭載されており、光学シーンの瞬間的な変化を検出して雷の存在を示すことができます。 ^{[126] [127]}雷検出データは、西半球全体の雷活動のリアルタイムマップに変換できます。このマッピング技術は、米国立気象局によって実装されています。^[128]

2022年にEUMETSATはメテオサット第三世代に雷イメージャー（MTG-I LI）を搭載して打ち上げる予定である。これはNOAAのGLMを補完するものである。MTG-I LIはヨーロッパとアフリカをカバーし、イベント、グループ、閃光に関する製品が含まれる予定である。^[129]

• ロケット誘雷は、特別に設計されたロケットを雷雨の中に打ち上げ、ワイヤーの巻き線を引かせることで「誘起」できる。ロケットが上昇するにつれてワイヤーがほどけ、下降する先導雷を引き寄せる高台を作る。先導雷が着地すると、ワイヤーが低抵抗の経路となり、雷が発生する。ワイヤーは戻り電流によって蒸発し、その場所にまっすぐな雷プラズマの通路を作る。この方法により、雷の科学的研究をより制御可能かつ予測可能な方法で行うことができる。^[130]

  フロリダ州キャンプ・ブランディングにある国際雷研究試験センター (ICLRT) では、研究調査でロケット誘雷を主に使用しています。

• レーザートリガー

  1970年代以来、^[131]研究者たちは赤外線や紫外線レーザーを使って雷を発生させようと試みてきました。赤外線や紫外線レーザーはイオン化されたガスの通路を作り、雷を地面に導いてくれます。このような雷の誘発は、ロケット発射台、電力施設、その他の敏感な対象を保護することを目的としています。^{[132] [133] [134] [135] [136]}

  米国ニューメキシコ州では、科学者らが雷を誘発する新しいテラワットレーザーをテストした。科学者らは極めて強力なレーザーから超高速パルスを発射し、数テラワットのパルスを雲に送り込み、その地域の嵐雲に放電を誘発した。レーザーから発射されたレーザービームは、フィラメントと呼ばれるイオン化分子のチャネルを形成する。雷が地球に落ちる前に、フィラメントは雲を通して電気を導き、避雷針の役割を果たす。研究者らは、実際の雷を誘発するには短すぎる期間しか持続しないフィラメントを生成した。それでも、雲内の電気活動の高まりが記録された。実験を行ったフランスとドイツの科学者らによると、レーザーから発射された高速パルスは、必要に応じて雷を誘発することができるという。^{[137]統計分析により、彼らのレーザーパルスは、実際に狙った雷雲の電気活動を高めたことが判明した。つまり、}プラズマチャネルの位置にある小さな局所放電を生成したのである。^[138]

電荷の動きによって磁場が発生します（電磁気学を参照）。雷放電の強力な電流は、一瞬ではありますが、非常に強い磁場を作り出します。雷電流の経路が岩、土、金属を通過すると、これらの材料は永久に磁化されることがあります。この効果は、雷誘導残留磁気（LIRM）として知られています。これらの電流は、最も抵抗の少ない経路をたどります。多くの場合、地表近くでは水平方向に進みますが^{[139] [140]}、断層、鉱体、地下水が抵抗の少ない経路を提供している場合は、垂直方向に進むこともあります^[141] 。一説によると、古代に見られた天然磁石である磁石は、このようにして作られたと言われています。 ^[142]

雷によって引き起こされる磁気異常は地面にマッピングすることができ^{[143] [144]}、磁化された物質を分析することで雷が磁化の原因であったことを確認でき^[145]、雷放電のピーク電流を推定することができます^{[146] 。}

インスブルック大学の研究では、プラズマによって生成された磁場が、経頭蓋磁気刺激（TMS）で起こったのと同様に、激しい雷雨から200メートル（660フィート）以内にいる被験者に幻覚を引き起こす可能性があると計算されています。^[147]

超新星によって生成された高エネルギー宇宙線や太陽風からの太陽粒子の一部は大気圏に入り、空気を帯電させ、雷の経路を形成する可能性がある。^[148]

地球規模の気候モデルの解像度が低いため、これらの気候モデルで雷を正確に表現することは困難です。これは主に、雷の発生に不可欠な対流と雲氷をシミュレートできないためです。アフリカの将来の気候プログラムの研究では、対流を許容するモデルをアフリカ上空で使用すると、対流性雷雨と氷粒子の分布をより正確に捉えることができることが実証されています。この研究は、気候変動によって雷の総量がわずかに増加する可能性があることを示唆しています。年間の雷発生日数は減少しますが、雲氷が増え、対流が強くなると、雷が発生する日に落雷が発生する回数が増えます。^[149]

ワシントン大学の研究では、2010年から2020年までの北極圏の雷活動を調査した。北極圏の夏季雷撃の比率を世界全体の雷撃と比較したところ、時間の経過とともに増加していることが観察され、この地域が雷の影響をより強く受けていることが示された。北緯65度以上の雷撃の割合は、NOAAの世界気温異常と比例して増加しており、異常が0.65℃から0.95℃に増加すると3倍に増加した^[150]。

多くの文化において、雷は神のしるしや一部、あるいはそれ自体が神であると考えられてきた。これらには、ギリシャ神話の ゼウス神、アステカ神話のトラロック神、マヤ神話の 神 K、スラヴ神話のペルーン、バルト海の ペルコン/ペルクーナス、北欧神話のトール、フィンランド神話のウッコ、ヒンズー教のインドラ神、ヨルバ神話のサンゴ神、インカ神話のイリャパ、神道の雷神などが含まれる。^[155]古代エトルリア人は、特定の日や特定の場所で発生する雷や稲妻によって示されるとされる前兆に基づいて、未来を鏡で占うガイドを作成した。 ^{[156] [157]}雷や稲妻を占いに使うことは、風占術とも呼ばれ、^[158]一種の風占術です。アフリカのバントゥー族の伝統的な宗教では、稲妻は神の怒りの兆候です。ユダヤ教、イスラム教、キリスト教の聖書でも、稲妻は超自然的な重要性があるとされています。キリスト教では、イエスの再臨は稲妻に例えられています。^[159]

比喩的に使われることもあるが、雷は同じ場所に二度落ちることはないという考えはよくある誤解である。実際、雷は同じ場所に二度以上落ちることがあり、実際にそうであることが多い。雷雨の雷は、より目立つ、または導電性のある物体や場所に落ちる可能性が高い。例えば、ニューヨーク市のエンパイアステートビルには、年間平均23回雷が落ちる。^{[160] [161] [162]}

フランス語とイタリア語では、「一目惚れ」はそれぞれcoup de foudreとcolpo di fulmineで、文字通り訳すと「落雷」を意味する。ヨーロッパの言語の中には、地面に落ちる雷（一般的な雷とは対照的）を表す別の言葉があるものもあり、多くの場合、英語の「rays」と同義である。オーストラリアで最も有名なサラブレッド馬、ファラップの名は、チワン語とタイ語で共通する「雷」に由来している。^[163]

紋章学では稲妻は雷と呼ばれ、先端が尖っていないジグザグの形で表されます。このシンボルは通常、力とスピードを表します。

シンガポールの人民行動党、1930年代のイギリスファシスト連合、 1950年代のアメリカの国家権利党など、一部の政党は権力の象徴として稲妻の閃光を使用している。 ^[164]ナチ党の準軍事組織である親衛隊は、稲妻を象徴するルーン文字「シグ」をロゴに使用した。ドイツ語の「電撃戦」を意味する「 Blitzkrieg 」は、第二次世界大戦中のドイツ軍の主要な攻撃戦略であった。

稲妻は、世界中の軍事通信部隊の共通の記章です。稲妻は、信号資産を表す NATO のシンボルでもあります。

最も致命的な単独の落雷は、落雷を受けた小屋の中で安全を求めて身を寄せ合っていた21人が死亡したとき（1975年、ローデシア）に発生した。^[47]

最も致命的な単独の落雷は、1994年のドロンカ落雷である。1994年に石油タンク群に落雷し、燃える石油が町を浸水させ、469人が死亡した（1994年、エジプト、ドロンカ）。^[47]

アメリカでは2012年から2021年まで、年間平均23人が雷で亡くなっている。^[165]

• ラコフ、ウラジミール A.、ウマン、マーティン A. (2003)。雷：物理学と影響。ケンブリッジ、イギリス：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0521583275。
• ウマン、マーティン A. (1986)。『雷について』、ドーバー出版、pp. 103–110、ISBN 978-0-486-25237-7。
• この記事には、 「雷の理解: 雷雨の帯電」(米国海洋大気庁) からのパブリック ドメインの資料が組み込まれています。

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• ワールドワイド雷位置ネットワーク
• ファインマンの雷に関する講義