雷

雷とは、雲と雲との間、あるいは雲と地上との間の放電によって、光と音を発生する自然現象のこと。

また、ここでは「気象現象あるいは神話としての雷」を中心に述べる。

1. 概説
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さまざまな気象状況で発生するものであり、雷雲の生じる原因によって熱雷・界雷・渦雷などに大別されている。夏季に雷雲など激しい上昇気流のあるところに発生するものが熱雷、四季をとおして寒冷前線に沿って発生するものが界雷、低気圧の域内や台風の中で発生するものが渦雷である。火山の噴火に伴い噴煙中とその周辺で生じるものは火山雷と呼ばれる。

1.1. 表現、語彙、語義
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雨を伴う場合は「雷雨」とも言われる。

漢字では「雷」と書くが、大和言葉では主に「かみなり」や「いなずま」などと言う。さらに古語や方言などでは、いかづち、ごろつき、かんなり、らいさまなどの呼び名もある。

音と光を伴う雷放電現象を雷電と呼ぶ。雷に際して起こる音は雷鳴であり、雷電の「雷」である。それに対して雷に際して起こる光は稲妻であり、雷電の「電」である。

現代日本語でいう雷は雷電とほぼ同義語であるが、遠方で発生した雷は光は見えるものの、風向きの影響などで音が聞こえないことがある。そのため、日本式天気図においては「過去10分以内に雷電または雷鳴があった状態」を雷としている。気象庁の定義によると「雷」とは「雷電がある状態。電光のみは含まない」とされている。 雷を発生させる雲を雷雲と呼び、その時に雲は帯電状態となっている。雲の中で起こる放電、雲と雲の間の放電をまとめて雲放電と呼び、雲と地面との間の放電を対地放電または落雷と呼ぶ。

なお、雷は主に風と雨を伴う雷雨時に氷の粒子で形成される雷雲によっておこる雷を指す場合が多いが、そればかりではなく、火山の噴火時や砂嵐時に砂の粒子の帯電で形成される雷雲によっておこる火山雷なども雷に含む。

2. 語源
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大和言葉の「いなずま」もしくは「いなづま」の語源は、稲が開花し結実する旧暦の夏から秋のはじめにかけて雨に伴い雷がよく発生し、稲穂は雷に感光することで実る、という信仰が生まれ、雷を稲と関連付けて 「稲の『つま日本の古語では「[[妻』」と解し、「稲妻」、あるいは「稲光」などと呼ぶようになったといわれている落雷によって大気中の窒素が田畑に固着されるため収穫が増えたという説がある。なお、現在では十分に窒素肥料が蒔かれているため、落雷した田とそうでない田の間で稲の生長に差異はほとんど見られず、自動車等の内燃機関から排出される窒素酸化物の量が増えたことも相対的に落雷による収量の差異が見られなくなる一因として挙げられる。}}。日本書紀には、「雷電」と記された史記があり、奈良時代より雷と稲との縁が窺い知れる。

大和言葉「かみなり」の語源は、昔、雷は神が鳴らすもの、と信じられていて「神鳴り」と呼ばれたため。

3. 発生の原理
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雷の発生原理は研究が続けられており、さまざまな説が論じられているが、まだ正確には解明されていない。2021年現在、雷は主に、上空と地面の間または上空の雷雲内に電位差が生じた場合の放電により起きる、と言われており、主に以下のように説明されている。低気圧や前線等の荒天時に発生することが多いが、台風の際には雷が発生しにくい傾向がある。

電位差が発生した雲または大地などの間に発生する光と音を伴う放電現象。

3.1. 雷雲の発生
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地表で大気が暖められることなどにより上昇気流が発生し上空へ昇って行くと、あるところで飽和水蒸気量を超えて水滴が発生する。これが雲であり、湿度が高いほど低層から、気流の規模が大きいほど高空にかけて、発達する。

この水滴は高空にいくほど低温のため、氷の粒子である氷晶になる。氷晶はさらに霰となり上昇気流にあおられながら互いに激しくぶつかり合って摩擦されたり砕けたりすることで静電気が蓄積される。成長して重くなる霰は下に、軽い氷晶は上に持ち上げられるが、後述のとおり霰は負、氷晶は正に帯電するため、雲の上層には正の電荷が蓄積され、下層には負の電荷が蓄積される。

雲の中で電位差が生じる原因は、長らく研究者の間で議論されており、異なる切り口からいくつかの説が出されてきた。そのうちのいくつかは現在でも支持されている。そして、これらを全体的観点からまとめた着氷電荷分離理論が最も多くの支持を得ている。

水は固体よりも液体の方が結合解離エネルギーが低いため、水滴中には多くのH+やOH-が生成される。ただし、H+は氷に浸透しやすいため、水滴・氷晶・霰が接触しあう環境では、氷が正、水が負に帯電する。
同じ環境中に氷晶と霰がある場合、霰にはより多くの雲粒が蒸発・昇華するが、その時の潜熱の影響で霰は氷晶よりも温かくなる。溶媒中で起こるイオン結合の繰り返し過程の中で、拡散しやすいH+が低温側へ拡散するため、低温側が正、高温側が負に帯電する。
気温が-10℃ - 0℃位の比較的暖かい環境下では、霰へのライミングに伴う潜熱で霰の表面が溶けて水膜ができる。既述のように、水膜中のイオンのうちH+は氷に浸透しやすいので霰の各部分は正、水膜部分は負に帯電する。この霰に外から氷晶が衝突してくると、氷晶は水膜の一部を取り去って負に帯電し、霰は全体として正に帯電する。
よって、雲水量が少ない環境で氷晶と霰が衝突すると、低温の氷晶が正、高温の霰が負に帯電する。雲水量が多い環境で氷晶と霰が衝突すると、低温の氷晶が負、高温の霰が正に帯電する。

3.2. 稲妻
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上層と下層の電位差が拡大して空気の絶縁の限界値を超えると電子が放出され、放出された電子は空気中にある気体原子と衝突してこれを電離させる。電離によって生じた陽イオンは、電子とは逆に向かって突進し新たな電子を叩き出す。この2次電子が更なる電子雪崩を引き起こし、持続的な放電現象となって下層へ向って稲妻が飛んでいく。

また、下層の負電荷が蓄積されると、今度は地面では正の電荷が静電誘導により誘起される。この両者の間でも、電位差がある一定を超えると放電が起きる。

これらの放電は、大気中を走る強い光の束として観測される。1回の放電量は数万 - 数十万A、電圧は1 - 10億V、電力換算で平均約900GWに及ぶが時間にすると1/1000秒程度でしかない。エネルギーに換算するとおよそ900MJであり、もし、無駄なくこの電力量をすべてためることができるなら、家庭用省電力エアコンを24時間連続で使い続けた場合、10日強使用できる。

この間を細かく分けると、落雷においては、雷雲から最初に伸びる複数の弱い光の先駆放電、大地側から迎えるように伸びるストリーマ、両者が結合して大量の電荷が本格的に先駆放電路に流入する主雷撃の3段階に大別され、電位差が中和されるまで放電が続く。ステップトリーダーが複数であるのに対し、ステップトリーダーと結合するストリーマは1ないしは数個までであり、結果、主電撃として目視確認できる放電路は少なくなる。典型的な夏雷であれば、1回の落雷において、その複数のステップトリーダーの広がりはおよそ10000  範囲であり、主電撃すなわち落雷はこの範囲で形成される。

主な夏雷は電子は雲から地表に、電流は地表から雲に流れる。冬雷の場合はその性質上これとは逆に電子は地表から雲に、電流は雲から地表に流れる。

3.3. 雷鳴
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放電現象が発生したときに生じる音である。雷が地面に落下したときの衝撃音ではなく、放電の際に放たれる熱量によって雷周辺の空気が急速に膨張し、音速を超えた時の衝撃波である。

稲妻の放つ光は光速で伝わるため、ほぼ瞬間に到達する。これに対して、雷鳴は音速で伝わるため、音が伝わってくる時間の分だけ、稲妻より遅れて到達する。そのため、雷の発生した場所が遠いほど、稲妻から雷鳴までの時間が長くなり、その時間を計ればおおよその距離も分かる。

発現地点までの距離を //P//(キロメートル）（アメリカ陸軍
の戦闘機）