雷発生に仕組み

Question

雷発生の仕組みについて教えてください。
部分的に理解したことは以下のとおりです。

　負極性落雷と正極性落雷があることは理解できました。負極性落雷は雷の負電荷が
正に誘電した地表と中和しようして、雲内の負電荷、つまり電子が地表に移動します。
つまりは電気は地表から雲へ流れます。
　また、正極性落雷は正電荷に帯電した雲の上方から地表に正電荷が移動します。
　この場合、電気は雲から地表へ電気が流れます。

ここで分からないのが、正電荷の正体です。調べても分かりません。陽子、アルファ粒子
でもないとは思いますが何なんでしょうか？

当初は、正極性落雷は地表から電子が移動するのかと思いましたが、エネルギーの移動する
方向が逆になって「落雷」になりません。

納得いく解説をお願いします。

semikuma · Accepted Answer

No.9でやっと疑問の核心が見えてきましたね。
負極性落雷と正極性落雷の被害の違いは私も知りませんでしたが、雲の高さの違いによるようです。
下の論文によると、夏の雷雲の下層(負に帯電)の高さは約7kmで、冬は約3km、上層部(正に帯電)は冬は約5kmだそうです。
http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2008_07/jspf2008_07-405.pdf

No.2に書いたように、放電(落雷)は電界強度がある値を超えたときに起こります。
もう少し説明すると、単純な平行平板の電極間の電界強度は、電極間の電位差を距離で割ったものとして表されますが、電極が曲がっていたり尖っていたりすると、そこに電界が集中し、強度が高くなります。
電子は電界によって正電極(正電荷)の方向へ引っ張られます。
空気は絶縁体なので多少の電界では空気中を流れませんが、ある値を超えると空間に放出され、加速されます。
加速された電子は他の空気分子と衝突し、電子を叩き出してイオン化し、次々に電子の通り道を作っていきます。
これが空気の絶縁破壊であり、雷の発生原理です。

上の論文によると、電荷の量は夏と冬で同じとして、電界強度は冬は夏の約2倍となるので、地上への影響は約4倍となるそうです。
(ちょっと変だとは思いますが、これが正しいとすると)冬の正極性落雷では、電子は夏の負極性落雷に比べて約2倍の力で加速され、約4倍のエネルギーを持つというわけです。

尚、鉄塔に落ちやすいのは、鉄が電気を通しやすいことに加え、地上から高く雲に近いこと、更に先端が尖っているため、電界強度が高くなるためです。
また避雷針の先が尖っているのも、落雷に至る前に空中の電荷を放電させ、もし落雷しても避雷針に落ちさせるためです。
# だから雷に打たれたくなかったら、身を低くしてできるだけ早く建物内に隠れた方がよい。

> 一般的な建物や地表から被害が生じるほど大量の電子を集中的にかき集められて空中に放電するのでしょうか？

これもNo.5に書いたように、大地の静電容量は、雷雲のそれに比べて無限大とみなすことができます。
何しろ雲の高さは10km以下に対して、地球の半径は6千kmもありますから。

haberi · Answer

＃８です。
もうこれ以上は書きませんが、電位差（＝電圧）はエネルギーです。
こういう基本的な物理の概念を理解していないのなら、雷の現象等を
理解するのはちょっと困難な気がします。

無駄かもしれませんが、最後に書きます。
雲と地表という巨大な電極にはさまれた空間に電子が流れます。
もちろん電子は負から正にながれます。
流れるのは飽く迄も電子であり、エネルギーは流れません。
エネルギーは変換されるだけです。
たまたま構造物が地表に多いから地表で破壊が起きますが、空中や雲に
構造物があればそれも同様に破壊されます。

「エネルギーが流れる」という奇妙な概念を捨てなければ、先には進めませんよ。

ch3oh · Answer

どうも質問者さんは、落雷によって立木などが被害を受ける様子を、
あたかも振り下ろされた鉈によって薪が割られるように、
雲から落ちてきたエネルギーが立木を引き裂くのだ、
というイメージにとらわれているようですね。
　こう考えてはどうでしょうか。
　豆電球を乾電池につなぐと光りますが、つなぎ方を逆にして、
つまり電流の向きを逆にしても同じように光ります。
　落雷によって立木が引き裂かれるのは、立木を通り抜ける雷の強大な電流によるジュール熱で
立木の水分が瞬間的に蒸発するための水蒸気爆発によるのだそうです。
　その熱の発生は、豆電球の点灯と同じように、
電流が立木の中を上から下へ流れようと下から上に流れようと関係ないのです。

lycaon · Answer

（一つ前に以下と同趣旨の結論が書かれたようですが、一応アップしておきます。）
もっぱら
http://kobam.hp.infoseek.co.jp/meteor/thunder.html
の記述だけから、「正極性落雷」の正体につきアレコレ”推理”します。
『 』内はそこからの引用。

『積乱雲と地表間で起こる落雷には、積乱雲下部の負電荷が地表に放電する負極性落雷と、積乱雲上部の正電荷が地上に放電する正極性落雷がある。（中略）
正極性落雷は、後続電撃がなく、放電電流が約10～200kAと強く、放電時間が200～2000μ秒と長くて、放電される電荷総量は20～300Cと非常に大きい。また、積乱雲内での放電路が地表面に平行に長く伸びることが特徴である。 』

私の回答 #6中で述べた雪・アラレ機構では、雲頂は正に、雲底は負に、地表は正に帯電しますが、『積乱雲上部の正電荷が地上に放電する正極性落雷』の記述では、正の雲頂から正の地表に落雷するのか、というのが最初の疑問です。
ところがURLの図１をよく見ると、正極性落雷は、正の雲頂から、雲直下の地表の正電荷部分には落ちておらず、その外側にある「地表の負電荷」に落ちています。
積乱雲はしばしば雲頂が横に長くたなびく「カナトコ雲」↓になりますが、ここに溜まった正電荷は、地表に負電荷があれば、雲底と雲中放電するよりも地上との間で放電したがるでしょう。

で、地表の負電荷と雲頂の正電荷の間で放電すれば、正電荷の雪が稲妻の速度で地面に落ちてくるはずはなく、単純に、地上の電子が雲頂に向けて駆け上がるのでしょう。

ご質問の

>当初は、正極性落雷は地表から電子が移動するのかと思いましたが、エネルギーの移動する
方向が逆になって「落雷」になりません。

は、落雷の定義次第です。
電子がどちらからどちらへ流れようが、雷雲と地表間で生じる放電は全て落雷というのでしょう。（「落雷」の定義、調べられたら補足欄にお願いします。）

>また、正極性落雷は正電荷に帯電した雲の上方から地表に正電荷が移動します。

は、出典は知りませんが、嘘でしょう。上のURL からの冒頭引用も似た記述ですが、ありえない、と思います。
プロトンなどが光速近くで空中を落下してきたら、世界中でもっと大騒ぎしているでしょう。が、その前に、そもそも陽子の大きさでは、地球磁場の助けを借りるまでもなく空気との衝突によりブレーキがかかって、すぐ止まってしまうのが確実です。

地表の電子が積乱雲の頂部（特にカナトコ張り出し部分）に駆け上がるのが、正極性落雷の正体だ、というのが、「アレコレ推理」の結論です。

-----------------------
夏の入道雲は積乱雲の別名と思っていましたが、 http://edu.city.ogaki.gifu.jp/open/kdata/kumo/kumo.html　によればカナトコ雲が積乱雲で、入道雲は積雲のことらしいです。意外でした。

haberi · Answer

質問者のかたは落雷とは雲から地表へエネルギーの移動がおきている
正極性の落雷の場合、具体的に何が天から地に移動してきてるんだ
ということを聞きたいんですね。

この場合「エネルギーの移動」という表現が問題です。
質問者さんはどうもエネルギーの移動という言葉を、物質の移動と同義に
使用しているようですが、そういう意味で使うなら他の質問者のかたが
散々回答しているように正極性落雷の場合は地表から雲に電子が移動します。
それならなんで、雲の正極のエネルギーが、地表の木を真っ二つにするんだ
雲のエネルギーが、地表に降りているじゃないかと反論されそうですが
ここに落とし穴があります。
正極そのものはエネルギーではないのです。
正と負がセットになって電位差がうまれ、この電位差がエネルギーなのです。
ですから雲の正極と地表の（相対的な）負極がセットになってエネルギーを
持っているのであって、雲に偏在しているわけではありません。

そのエネルギーが木を破壊するのは、電気(電位差）エネルギーが破壊の
エネルギーに「変換」されたのであって、「移動」したのではありません。

debukuro · Answer

没

lycaon · Answer

本題から少し外れますが、雲の中に強い電位差が生じる仕組みについて。
ちょうど昨日「放送大学・物理の考え方」（14回　電子と電気）の講座で、木村隆治先生と大石和欣先生が取り上げられました。（木村先生のお話はどれも楽しい。）
黒板で軽く触れられただけですが、大いに参考になりましたので、その部分だけ要約します。
--------------------
夏でも雷雲（積乱雲）の中は氷点下で、雪の結晶が沢山できる。その結晶がある程度成長すると、結晶の回りに水が凍りつくが、これをアラレ（霰）と言う。
雪とアラレが共存しぶつかり合うと、摩擦電気で
◆雪はプラスに、◆アラレはマイナスに
帯電する。

積乱雲の中には強い上昇気流があり、軽い雪は上に吹き上げられ、アラレは重力で下降する。
結果的に、積乱雲の上方では正電荷を持つ雪が増え、下方は負電荷を持つアラレが増える。
なお観測によれば、雲底に近い方でも部分的に正に帯電した部分も存在する。

雲底にアラレが増え強く負に帯電すると、それに引き寄せられて地表に正電荷が集まってくる。
やがて空気が絶縁破壊し、雲底にある（アラレの）電子が地上に向けて流れ落ちるようになる。
これが稲光で、目で見える電子の流れである。
（このあとガラス球中で人工の稲光を出す実験に転じられました。）
------------
なお、だいぶ前にテレビで、雷雲中を横断した軽飛行機の映像を見ました。
青空から雲に突っ込み急に薄暗くなった画面で、コックピットの風防ガラスに、大きな六方・樹枝状の雪の結晶が、ビシビシ当たってきました。

semikuma · Answer

おやおや。質問者は高校生か中学生か知らないけれど、人の意見を鵜呑みにするのもよくないけれど、頭ごなしに否定するのも、結局は自分にとって損だよ。
皆さん、回答したところで自己満足以外の何のメリットもないのに、わざわざ自分の時間を割いて回答してくれていることを忘れずに。

No.1さんの答えも含めて、余計なことは書かず箇条書きにしておくから、自分の頭で吟味してみて。

・落雷とは、雷雲と大地との間の(または雷雲の中での)放電現象である。
・放電とは、空気という絶縁体中を、電子という荷電粒子が流れる現象である。
・この放電のエネルギーは、雷雲の中の空気分子同士の摩擦によって生じる静電気によって生まれる。
・大地の静電容量は、雷雲のそれに比べて無限大とみなすことができる。
・従って、雷雲中の負電荷(電子)が過剰なときは、電子が雷雲から大地に向かって流れ、正電荷が過剰なときは、大地から雷雲に向かって電子が流れる。

以上。

ESE_SE · Answer

恐らくホールです。

以下は現在の一般的な解釈です。文中に出す数字は具体的な単位のある数字ではなく概念的な数字だと思ってください。

まず上昇気流により雲の中に霰が発生。上昇気流に乗る細かい霰と、気流に乗り切れなくなった大きな霰が衝突、静電気が発生します。
気流により負に帯電した霰が雲の下端に、正に帯電した霰が雲の上端に移動します。
この時点での雲の下端の帯電を -100 とします。

同時刻、地上では電荷の移動が起こっていませんから帯電は 0 です。
しかし雲と地表との間には100の電位差が発生しています。
これが空気による絶縁の限界を超えたとき、絶縁崩壊による放電＝落雷が発生します。
落雷とはこの放電現象のことであり、「落ちているか上っているか」の差はありません。
この絶縁崩壊により局地的に電位差は解消されます。
つまり雲の電位が -50 に、地表の電位も -50 になります。
ただし地表は電気的に連結されている周囲の土壌があるので、マイナス電位はすぐに拡散してほぼゼロになります。
この時点から継続して雲の中での静電気が蓄積、再び絶縁の限界に達すればまた落雷が発生します。

質問者様の頭の中では「落雷＝何かが落ちてくる」という発想が消えないのでしょう。
負極性落雷が発生した場合、
絶縁崩壊→雷雲の下端のイオンが地上方向の手近な分子に電子を飛ばす
→電子を受け取った分子がさらに地上方向の手近な分子に電子を飛ばす
→・・・
という受け渡しが継続的に発生し、受け渡しの手順が地上に達するのが俗に言う「地面に雷が落ちる瞬間」です。

逆の正極性落雷も、上記のものの正負を入れ替えれば同じことです。
ただ電子を地上へ向かって飛ばすのではなく、
絶縁崩壊→雷雲の下端のイオンが地上方向の手近な分子から電子を奪い取る→電子を奪われた電子がさらに地所方向の手近な分子から電子を奪い取る→・・・
という受け渡しが継続的に地上まで発生します。
遠目に見ると「電子の無い空間が移動しているように見える」ことから「ホール」と呼ばれ、半導体などでは一般的な考え方です。
（落雷の研究でホールと言う言葉は使われていないと思いますが）

模式的に表すならば、そろばんの四つ玉をイメージしてください。
１ずつ玉を上に弾いていくと、「玉の無い空間」はひとつずつ下へ降りていくように見えます。
玉を分子の最外殻の電子、空間をホールと考えればこれがホールの移動の要領です。

書き上げて読み直したところ他の回答者様の再編集にしかなっていませんが・・・恐らくこれは質問者様が「日本語から現象への直訳」と「物理的な現象」のギャップを呑み込まないと解消できないところでしょうね。

debukuro · Answer

アルファ粒子：ヘリウムの原子核
陽子：水素の原子核
正電荷：電子が不足した何か
負電荷：電子が過剰な何か

稲妻の連続撮影を見ると連続した往復放電です：行ったり来たり
コンデンサーを放電させても同じように往復放電が起こります
一方向に落ちるのではないようですね
雲の中でも水平方向の放電や球状の放電も見られます

雷発生に仕組み

No.9でやっと疑問の核心が見えてきましたね。

＃８です。

どうも質問者さんは、落雷によって立木などが被害を受ける様子を、

（一つ前に以下と同趣旨の結論が書かれたようですが、一応アップしておきます。

この回答への補足

質問者のかたは落雷とは雲から地表へエネルギーの移動がおきている

この回答への補足

没

本題から少し外れますが、雲の中に強い電位差が生じる仕組みについて。

おやおや。

この回答への補足

恐らくホールです。

アルファ粒子：ヘリウムの原子核

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　どうも質問者さんは、落雷によって立木などが被害を受ける様子を、