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雷はなぜ・どうやってできる?【仕組み】|疑問を2分で!

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今回は『天気の雑学』として、

雷はなぜ・どうやってできる?(仕組み・メカニズム)

という疑問に、”わかりやすく・簡単に” 答えていきます。

※ 答えをすぐ知りたい人は、最後の『まとめ』だけチェックすればOK!

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雷はなぜ・どうやってできる?|仕組み・メカニズム

 

雷はなぜ・どうやってできる?|仕組み・メカニズム

 

さっそく『雷はなぜ・どうやってできる?|仕組み・メカニズム』の答えから!

 

雷ができる仕組み・メカニズム」は、ずばり

【雲の中】の【氷の粒】が【風の影響】でぶつかり合って【静電気】を発生させる

⇒ 雲の下の方に【マイナスの電気(負の電荷)】が溜まって、【地面】めがけて飛び出す

⇒ 雲と地面で【電気の受け渡し(電荷の移動)】が起きるとき、【雷鳴】&稲妻が発生する

です。

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ざっくりと言えば、

雲の中にたくさん溜まった電気が【雷の原因

だと表現できるでしょう。

 

ここからは一般知識として必要なレベルで「雷発生の仕組み・メカニズム」を詳しく説明していきます。

 

まず「雷ができる」ためには、

のように

地表から強い上昇気流が発生している

必要があります。

 

上昇気流は

① 地面が暖めらることで軽くなった空気が上昇するとき

② 風が山の斜面に向かって吹いているとき

などに発生し、

地表の空気がたっぷりと水を含んでいる

上空に上がった空気は冷やされて雲(水滴・氷晶)

になります。

 雲発生のメカニズムの詳細は『雲はなぜできる?|雨はどうして降る?』を参照

 

このとき、

上昇気流の勢いが強い

雲はどんどん上へと高くなって

いきます(これが積乱雲・入道雲)。

 

雲の中では、気温が低くなる(上空へ行く)につれて

【水滴】が【氷晶】に変化(凝固)

し、

【氷晶】には【水滴】がくっつきやすい

ため、

【氷晶】はすぐに【氷の粒】へと成長(直径5mm未満 → あられ、直径5mm以上 → ひょう)

します。

 

氷の粒が大きくなると、とうぜん

重くなる(重力が増す)

ため、

雲の下へと移動

していきます(これに水の凝結・氷結による吸熱反応が加わり、強めの下降気流となる)。

 

しかし、地面からは

強い上昇気流が吹いている

ため、雲の下へ行っても

風でまた上に吹きあげられる

ことになります。

 

つまり、

氷の粒が雲の上下を行ったり来たり

するわけです。

 

氷が大きくなる速度はバラバラ

なので、雲の中では

たくさんの氷が動き回ってぶつかり合う

ようになります。

 

氷同士がぶつかり合うことで

静電気が発生する

わけですが、

 

ーーーここから少し専門的なので、読み飛ばしてもOK---

 

このとき

大きい氷の粒ほど水滴がくっつきやすい&雲の下への移動が激しい

ため、

【氷 → 水蒸気(昇華)】や【水滴 → 水蒸気(蒸発)】

の反応が

小さな氷の粒(氷晶)よりも起こりやすい

ことになります。

 

すると、

状態変化に要する熱量(潜熱:水蒸気・水滴・氷の状態を変えるためだけのエネルギー量)

から、

大きい氷の粒ほど相対的に温度が高くなりやすい(小さい氷の粒の方が低温になりやすい)

ようになります。

 

氷同士の衝突において

水素イオンは低温方面へと移動しやすい

ため、とくに雲底近くで

【温度の高い氷の粒】と【温度の低い氷晶】がぶつかる

と、

【温度の低い氷晶】へと正の電荷が拡散する(=大きい氷の粒が負、小さい氷晶が正になる)

わけです。

 

ーーー難しい話は終わり、ここからは下はぜひ読んで欲しい内容です---

 

ここで、

重たい水滴・氷ほど雲の下に移動する

ため、

 雲底 ⇒ マイナスの電気(負の電荷)

 雲頂 ⇒ プラスの電気(正の電荷)

集まっていくことになります。

 

つまり、

雲底にマイナスの電気に引き寄せられ

て、

地面にはプラスの電気が集まって

いくわけです。

 

この

マイナスとプラスの電気の差(電位差)が限界(およそ300万V/m~)を超える

と、ついに

マイナスの電気がプラスの電気に向かって飛び出していく(電子が地表へ向け移動する)

ようになります。

 

雲を飛び出した

電子は1本の列を作って高速移動

しますが、途中で

空気中の原子を避けきれずに衝突

することがあり、このとき

当たった原子がもっていた電子まで吹っ飛ばして進んで

いきます(つまり、電子のルートが分岐する ⇒ これが稲妻が枝分かれしている要因)。

 

そして、

最初の電子が地面に近づく

と、

地表に集まっていた正の電荷が飛び出して電子と合流

して、正電荷は

電子が通ってきたルートを勢いよく逆走し雲まで突き進んで

いきます(よって電子は雲 → 地面、電流は地面 → 雲)。

 

このとき、

高いエネルギーをもった正電荷が大気中を移動

する際に、

光エネルギーを放出(=雷光・稲妻)

し、あり余った電気エネルギーが

分子を激しく衝突

させることで

大気が急速に過熱・膨張 ⇒ 爆発(=雷鳴)

します。

 

空気を伝わる速度は

光 >>> 音

なので、

雷光 → 雷鳴

の順で私たちは感じているわけですね(音速は340m/sなので、だいたい雷光と雷鳴の間隔秒数×340mが落雷との距離にあたります)。

 

さて、必要最低限のことは説明したつもりですが、まだ足りないような…少し書きすぎたような変な気持ちです。

受験で化学を利用していなかったり、大学で気象学を専攻していないといくつか分かりにくい箇所があるかもしれませんね…申し訳ない。

別にすべてを理解する必要はないので、だいたいの放電の仕組みを把握しておけば十分だと思います。

実際に電荷の拡散については詳細なメカニズムが判明していない点が多く、ざっと最近の論文を読み直しましたがさして研究は進んでいないように感じられます。

話題の論文が発表され次第追記していきますが、気象系の英語は難しくて…まぁ読むのに時間はかかるし何言ってるかわからない表現が多いしでめっちゃ嫌いです笑

論文は高校レベルの英語を条件に箇条書きで簡潔に示してほしいですよね…本当に。。。

以上、『雷はなぜ・どうやってできる?|仕組み・メカニズム』について簡単にまとめました。

お読みいただきありがとうございました<(_ _)>

 

『雷はなぜ・どうやってできる?|仕組み・メカニズム』まとめ

① 雲の中で氷の粒が風によって何度も衝突

② 静電気が発生

③ 雲底に負電荷が溜まり、地表の正電荷向けて電子が飛び出す

④ 正電荷が雲に移動するとき強い雷光(稲妻)を発し、空気の膨張による衝撃波が雷鳴となる

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