稲妻

雲から地上への落雷（CG雷）は、雲と地上の間の通常の電流の方向によって、正または負に分類されます。ほとんどのCG雷は負であり、これは負電荷が（電子が）雷放電路に沿って下方へ地上へ移動することを意味します（通常の電流は地上から雲へ上方へ流れます）。正のCG雷ではその逆の現象が起こり、電子が雷放電路に沿って上方へ移動すると同時に、正電荷が下方へ地上へ移動します（通常の電流は雲から地上へ流れます）。

正極性雷は負極性雷よりも発生頻度が低く、平均して全落雷の5%未満を占める。^{[ 10 ]}

正極性雷の発生につながるメカニズムはいくつか理論化されている。^{[ 11 ]}これらは主に雲の中の電荷中心の移動または強化に基づいている。このような雲の帯電の変化は、垂直風速シアや降水量の変化、または嵐の消散の結果として生じる可能性がある。正極性の閃光は、雲内放電の特定の挙動、例えば既存の閃光からの分離や分岐によっても発生する可能性がある。

正極性の落雷は負極性の落雷よりもはるかに激しい傾向があります。平均的な負極性の落雷は、30,000アンペア（30 kA）の電流を発生させ 、合計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します。大きな正極性の落雷は、最大120  kAの電流を発生させ、350  Cを伝達することができます。 ^{[ 12 ]}平均的な正極性の地表放電は、典型的な負極性の放電の約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発生させることができます。^{[ 13 ] [ 14 ]}さらに、ピーク電流の高い正極性の地表放電の後には、通常、長時間の継続電流が続きますが、これは負極性の地表放電では見られない相関関係です。^{[ 15 ]}

正極性の落雷は、その威力が大きいため、負極性の落雷よりもはるかに危険です。^{[ 11 ]}正極性の落雷は、ピーク電流が高く、持続電流も長いため、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。正極性の落雷は、澄んだ空気中を長距離にわたって伝播できるため、「青天の霹靂」として知られ、観測者に何の警告も与えません。

正極性雷は、高層建築物の頂上から上向きの稲妻が発生する原因となることも示されており、地上数十キロメートル上空でのスプライトの発生の主な原因となっています。正極性雷は、雷雪と同様に、冬の嵐、激しい竜巻^{[ 16 ]} 、および雷雨の消散段階^{[ 17 ]}でより頻繁に発生する傾向があります。また、大量の超低周波（ELF）および極低周波（VLF）電波も発生します^{[ 18 ] 。}

一般的に信じられていることとは異なり、正の雷放電は必ずしも金床や上部の正電荷領域から発生し、雷雨の外の雨のない領域に落ちるわけではありません。この考えは、雷の先導が単極性で、それぞれの電荷領域から発生するという古い考えに基づいています。金床から発生する放電は正電荷領域から発生するように見えるため正であるという一般的な誤解にもかかわらず、観測ではこれらは実際には負の放電であることが示されています。これらは雲の中でIC放電として始まり、負の先導が正電荷領域から雲を出て、澄んだ空気を伝播し、ある程度離れた地面に落ちます。^{[ 19 ] [ 20 ]}

帯電プロセスの詳細は科学者によって現在も研究されているが、雷雨における電荷分離、すなわち帯電の基本的な概念については概ね合意が得られている。帯電は、衝突する物体間で電子またはイオンが移動する摩擦帯電効果によって起こる。

雷雨における主な充電領域は、空気が急速に上昇している（上昇気流）嵐の中心部で発生し、温度は-15～-25 ℃（5～-13 °F）の範囲です（図1参照）。その領域では、温度と急速な上昇気流の組み合わせにより、過冷却雲粒（氷点下の小さな水滴）、小さな氷晶、および霰（柔らかい雹）の混合物が生成されます。上昇気流は過冷却雲粒と非常に小さな氷晶を上方に運びます。同時に、かなり大きく密度の高い霰は、落下するか、上昇気流中に浮遊する傾向があります。^{[ 34 ]}  

雲粒子の動きの違いにより衝突が発生します。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雲の上部に向かって運びます。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。^{[ 34 ]}通常、雷雲の上部は正に帯電し、雷雲の中央から下部は負に帯電します。^{[ 34 ] [ 35 ]}雲粒子の衝突による上記の電荷分離プロセスは、通常、非誘導帯電メカニズムと呼ばれます。 ^{[ 36 ]}

嵐の中の上昇気流と大気の上層部の風によって、雷雲の上部にある小さな氷晶（および正電荷）が雷雲の底から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の中の空気の動き（上昇気流と下降気流）によって再分配されることがある。さらに、降水と気温の上昇により、雷雲の底付近に小さくても重要な正電荷の蓄積がある。^{[ 34 ]}正負正電荷領域は成熟した雷雨でよく見られ、三極電荷構造と呼ばれる。^{[ 36 ]}

雷雨において役割を果たす可能性のある他の帯電プロセスも存在するが、一般的には重要性は低いと考えられている。誘導帯電メカニズムが研究されており、晴天時の電場の存在下での雲粒の分極から生じる。^{[ 36 ]}また、雷雨 中に存在するような電場において、電荷移動（水溶液中のイオンとして）により、帯電していない衝突する水滴が帯電する可能性があるとも述べられている。^{[ 37 ]}

純粋な液体の水における電荷の誘導分離は、摩擦帯電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す。^{[ 38 ]}ウィリアム・トムソン(ケルビン卿) は、地球表面の通常の電場では水中の電荷分離が起こることを実証し、その知識を使用して連続電場測定装置を開発しました。^{[ 39 ]}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、ケルビンがケルビン水滴器を使用して実証しました。最も可能性の高い電荷運搬種は、水溶液中の水素イオンと水溶液中の水酸化物イオンであると考えられました。^{[ 40 ]}雷雨に関わる時間スケールでは、水酸化物イオンと溶解した水素に関して、液体の水中の電子は安定していません。^{[ 41 ]}固体の水氷の電気的帯電も検討されています。帯電種は、ここでも水素イオンと水酸化物イオンであると考えられました。^{[ 42 ] [ 43 ]}

十分に解明されていないプロセスでは、雷雲内の反対の電荷を持つ領域間で、 「リーダー」と呼ばれる双方向の電離空気チャネルが開始されます。リーダーは、リーダーの先端とは反対の電荷を持つ領域を通過するか、または何らかの方法で引き寄せられる、電離ガスの電気伝導チャネルです。双方向リーダーの負の端は、雲内の正の電荷領域（ウェルとも呼ばれる）を満たし、正の端は負の電荷ウェルを満たします。リーダーはしばしば分裂し、木のようなパターンで枝を形成します。^{[ 52 ]}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的に移動します。その結果生じるリーダーのぎこちない動きは、稲妻の閃光のスローモーションビデオで容易に観察できます。

リーダーの一方の端が反対の電荷を持つ領域を完全に満たしている間にも、もう一方の端がまだ活動している可能性がある。このような場合、領域を満たしたリーダーの端は雷雲の外に伝播し、雲から空中への放電、または雲から地上への放電を引き起こす可能性がある。典型的な雲から地上への放電では、双方向リーダーが雷雲内の主要な負電荷領域とより低い正電荷領域の間で発生する。弱い正電荷領域は負のリーダーによって急速に満たされ、その後、誘導的に帯電した地面に向かって伝播する。

正電荷と負電荷を帯びたリーダーは互いに逆方向に進む。正電荷は雲の中で上向きに、負電荷は地球に向かって進む。両方のイオンチャネルは、それぞれの方向に、連続した噴出を繰り返しながら進む。各リーダーは先端でイオンを「集め」、1つまたは複数の新しいリーダーを噴出し、再びイオンを集めて電荷を集中させ、別のリーダーを噴出する。負電荷のリーダーは下降しながら伝播と分裂を続け、地球表面に近づくにつれて速度が増すことが多い。

「プール」間のイオンチャネルの長さの約90%は、長さが約45m （148フィート）です。 ^{[ 53 ]}イオンチャネルの形成には、結果として生じる放電（数十マイクロ秒以内）に比べて、比較的長い時間（数百ミリ秒）がかかります。チャネルを形成するために必要な電流は、数十アンペアまたは数百アンペアで測定されますが、実際の放電中の後続の電流に比べるとはるかに小さいです。  

雷のリーダーの発生はよく理解されていません。雷雲内の電界強度は、通常、このプロセス自体を開始するには十分ではありません。^{[ 54 ]}多くの仮説が提案されています。1つの仮説は、宇宙線によって相対論的電子のシャワーが生成され、暴走ブレークダウン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ます。これらの相対論的電子が衝突して中性空気分子を電離すると、リーダーの形成が始まります。別の仮説は、細長い水滴または氷の結晶の近くで局所的に強化された電界が形成されることを伴います。^{[ 55 ]}パーコレーション理論、特にバイアスパーコレーションの場合、^{[ 56 ]}は、雷の放電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ています。ストリーマー雪崩モデル^{[ 57 ]}は、嵐の際に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。^{[ 58 ] [ 59 ]}

ステップリーダーが地面に近づくと、地面に反対の電荷が存在することで電場の強度が増します。電場は、樹木や高層ビルなど、雷雲の底に最も近い接地された物体で最も強くなります。電場が十分に強い場合、これらの点から正に帯電したイオンチャネル（正または上向きストリーマーと呼ばれる）が発生する可能性があります。これは、ハインツ・カゼミールによって最初に理論化されました。^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}

負に帯電したリーダーが接近し、局所的な電界強度が増加すると、既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する。

下降リーダが利用可能な上降リーダに接続されると（接続と呼ばれるプロセス）、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降リーダは、分岐雷でも見られますが、それらはどれも大地に接続されていませんが、接続されているように見える場合があります。高速ビデオでは、接続プロセスが進行中の様子を撮影できます。^{[ 63 ]}

導電性チャネルが雲内の負電荷過剰と下方の正の表面電荷過剰との間の空気ギャップを橋渡しすると、雷チャネル全体で抵抗が大きく低下します。その結果、付着点から始まる領域で電子が急速に加速し、その領域はリーダーネットワーク全体に光速の3分の1まで広がります。^{[ 64 ]}これが「帰還ストローク」であり、雷放電の中で最も明るく目立つ部分です。

大きな電荷がプラズマチャネルに沿って雲から地面へと流れ、電子が落雷地点から周囲に流れ出すことで、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半径方向の電圧差が生じます。ステップ電位と呼ばれるこれらの電位は、落雷そのものよりも、人や他の動物の集団に多くの負傷や死亡を引き起こします。^{[ 65 ]}電気は利用可能なあらゆる経路を通ります。^{[ 66 ]} このようなステップ電位は、しばしば電流が片方の足を通ってもう一方の足から流れ出し、落雷地点の近くに立っている不運な人間や動物を感電死させます。

典型的な負のCG放電（しばしば「負のCG」雷と呼ばれる）の場合、帰還ストロークの電流は平均30キロアンペアです。場合によっては、地上から雲への（GC）雷放電は、嵐の下の地上の正に帯電した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。帰還ストローク電流の伝播速度は、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。^{[ 67 ]}典型的な雲から地上への雷放電は、雲の中から地表まで、5 km（3.1マイル）を超える高さの電気伝導性プラズマチャネルが空気中に形成されることで最高潮に達します。 ^{[ 68 ]}  

帰還ストローク中に発生する大量の電流の流れと、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、非常に電気伝導性の高いプラズマチャネルが形成されます。帰還ストローク中のプラズマの中心温度は27,800 °C (50,000 °F)を超える場合があり、^{[ 69 ]}鮮やかな青白色に放射されます。電流が流れなくなると、チャネルは数十ミリ秒から数百ミリ秒かけて冷却され消散し、多くの場合、光るガスの断片として消えます。帰還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。  

高速ビデオ（フレームごとに検証）によると、ほとんどのネガティブCGの稲妻は3つまたは4つの個別のストロークで構成されているが、最大で30個になる場合もある。^{[ 70 ]}

再放電は、雲の中の他の帯電領域が後続の放電で放電されるため、通常40～50ミリ秒という比較的長い時間間隔で発生します。再放電はしばしば目立つ「ストロボライト」効果を引き起こします。^{[ 71 ]}

複数の帰還雷撃が同じ雷放電路を利用する理由を理解するには、正のリーダーの挙動を理解する必要があります。正のリーダーは、負のリーダーが地面と接続した後に、典型的な地表放電が実質的に正のリーダーになります。正のリーダーは、負のリーダーよりも急速に減衰します。よく理解されていない理由により、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、その負の端はリーダーネットワークを再イオン化しようとします。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します。それらが主リーダーネットワークの導電性部分と接触することに成功すると、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全長または一部を横切って移動します。地面と接続するダートリーダーが、その後の帰還雷撃の大部分を引き起こします。^{[ 72 ]}

連続する各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が速いが振幅が小さい中間ダーツリーダーストロークが続く。次の各ストロークは通常、前のストロークが使用した放電チャネルを再利用しますが、風によって熱いチャネルが移動すると、チャネルは以前の位置からずれることがあります。^{[ 73 ]}

反動やダートリーダーのプロセスは負のリーダーでは発生しないため、後続の帰還ストロークは正の接地閃光で同じチャネルを使用することは非常にまれであり、これについては記事の後半で説明します。^{[ 72 ]}

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非常に速く上昇し、その後50～200マイクロ秒かけてゆっくりと減衰します。雷放電内の電流の過渡的な性質により、地上構造物の効果的な保護において対処する必要のあるいくつかの現象が発生します。急速に変化する（交流）電流は、直流電流がホースを通る水のように導体全体を「流れる」のとは異なり、表皮効果と呼ばれる現象で導体の表面を流れる傾向があります。そのため、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り線になる傾向があります。これにより、一定の総断面積に対して、個々の撚り線の半径に反比例して総束の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、すべての電気放電の特徴です。放射されたパルスは、発生源からの距離が大きくなるにつれて急速に弱まります。しかし、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流れる電流を誘導する可能性があります。サージ電流はサージインピーダンスに反比例します。インピーダンスが高いほど、電流は低くなります。^{[ 74 ]}これは、多くの場合、繊細な電子機器、電気器具、または電気モーターの破壊につながるサージです。これらの線に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、雷放電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によって、スパイクを接続された接地にルーティングし、それによって機器を損傷から保護します。

落雷を受けた物体は、非常に大きな熱と磁力を受ける。その結果、以下のようになる。

• 雷電流が樹木を流れる際に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樹皮を剥がしたり、幹を破裂させたりすることがある。
• 同様に、割れた岩石中の水は急速に加熱され、さらに分裂する可能性がある。^{[ 104 ] [ 105 ]}
• 落雷を受けた木は発火する可能性があり、森林火災を引き起こす可能性もある。下記「落雷による火災」も参照のこと。
• 雷が砂質の土壌を通過する際、プラズマチャネル周辺の土壌が溶けて、フルグライトと呼ばれる管状の構造物が形成されることがある。

落雷を受けた建物や高層構造物は、落雷が地面への障害のない経路を探す際に損傷を受ける可能性があります。通常、少なくとも1本の避雷針を含む避雷システムは、落雷を安全に地面に流すことで、深刻な物的損害の可能性を大幅に低減できます。サージ保護装置（SPD）は、落雷によって発生する電気サージから電気設備を保護するために、追加または代替的に使用できます。サージは、電気機器の損傷や破壊、または火災の発生のリスクがあります。電気火災は、建物だけでなく、建物内のすべての資産、個人の所有物、および生物（人、ペット、家畜）にも明らかに脅威となります。建物や構造物に必要な保護システム（もしあれば）は、リスク評価によって決定されます。構造物への脅威は、構造物自体への直接的な落雷だけでなく、接続されている導電性サービス（電力線、通信線、水道管/ガス管）への直接的または間接的な落雷、あるいはサージが地面に広がりサービス接続部に到達する可能性のある周辺地域への落雷からも発生します。

航空機は金属製の胴体のため落雷を受けやすいが、落雷は一般的に航空機にとって危険ではない。^{[ 106 ]}アルミニウム合金の導電性により、胴体はファラデーケージとして機能する。現代の航空機は落雷から安全になるように設計されており、乗客は通常、落雷があったことさえ知らない。しかし、落雷が燃料蒸気に引火して爆発を引き起こす可能性があり、近くの落雷がパイロットを一時的に失明させ、磁気コンパスに永久的な誤差を引き起こす可能性があるという疑いがある。^{[ 107 ]}

落雷を受けた人の90％は生き残るものの^{[ 108 ]} 、落雷を受けた人間やその他の動物は、内臓や神経系の損傷により重傷を負う可能性がある。

光は約300,000,000 m/s (980,000,000 ft/s)の速度で伝わりますが、音は空気中を約343 m/s (1,130 ft/s)の速度でしか伝わりません。観測者は、目に見える稲妻と、それに伴う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。稲妻が雷鳴より 1 秒前に光った場合、落雷までの距離は約343 m (0.213 マイル)です。したがって、3 秒の遅れがあれば、落雷までの距離は約1 km (0.62 マイル)です。一方、稲妻が雷鳴より 5 秒前に光った場合は、落雷までの距離は約1 マイル (1.6 km)です。したがって、非常に近い距離で観測された落雷は、ほとんど知覚できない時間差で突然の雷鳴を伴い、場合によってはオゾン(O ₃ ) の臭いがします。       

雷放電は、発生源から数千キロメートル離れた場所でも受信できる高周波電磁波を発生させます。放電自体は、比較的単純な短寿命の双極子源であり、約 1 ms の持続時間と広いスペクトル密度を持つ単一の電磁パルスを生成します。近傍の環境に磁気的または電気的に相互作用する特性を持つ物質がない場合、遠方場領域では、電磁波は放電電流の 2 階微分に比例します。^{[ 114 ]}これは、高高度放電や乾燥地帯での放電で起こることです。 その他の場合、周囲の環境は、スペクトルの一部を吸収して熱に変換したり、修正された電磁波として再送信したりすることによって、発生源信号の形状を変化させます。^{[ 115 ]}

雷によるX線の発生は、 1925年にはすでにCTRウィルソンによって予測されていた。^{[ 116 ]} 2001年から2002年まで証拠は見つからなかったが、^{[ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]}ニューメキシコ鉱業技術研究所の研究者が、嵐雲に打ち込まれたロケットの後ろに引かれた接地線に沿って誘導された落雷からX線放出を検出した。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て、自然の雷がステップリーダーの伝播中に大量のX線を生成することを確認した。雷の温度は観測されたX線を説明するには低すぎるため、X線放出の原因はさらなる研究の対象となった。^{[ 120 ] [ 121 ]}相対論的暴走電子雪崩機構は、X 線の放出と雷の発生の両方を説明する。^{[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]}

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、当時の雷の理論に課題を突きつけた。特に2000年代には、雷で生成される反物質の明確な痕跡が発見された。 ^{[ 126 ]} 2010年代の研究では、これらのTGFによって生成される電子、陽電子、中性子、陽子などの二次粒子が、数十MeVまでのエネルギーを獲得できることが示されている。^{[ 127 ] [ 128 ]}

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大幅な増加につながります。温帯および亜熱帯地域では、雷の閃光ごとに平均7  kgのNO _{xが生成されます。} ^{[ 129 ]}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。^{[ 130 ]}

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おいて重要な役割を果たしており、硝酸塩は雨によって沈着し、植物や他の生物の成長を促進する。^{[ 131 ] [ 132 ]}

電荷の移動は磁場を生成します（電磁気学を参照）。雷放電の激しい電流は、短時間ではあるものの非常に強い磁場を生成します。雷電流の経路が岩石、土壌、または金属を通過すると、これらの物質は永久に磁化されることがあります。この効果は、雷誘起残留磁気、またはLIRMとして知られています。これらの電流は抵抗が最も低い経路をたどり、多くの場合、地表近くで水平に流れますが^{[ 133 ] [ 134 ]}、断層、鉱床、または地下水がより抵抗の低い経路を提供する場合は、垂直に流れることもあります^{[ 135 ]} 。ある理論では、古代に発見された天然磁石である磁鉄鉱は、このようにして生成されたとされています^{[ 136 ] 。}

雷によって誘発された磁気異常は地中にマッピングすることができ、^{[ 137 ] [ 138 ]}磁化された物質の分析により、雷が磁化の原因であったことを確認できます^{[ 139 ]}。また、雷放電のピーク電流の推定値も得られます^{[ 140 ] 。}