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雷はどのように落ちるの?

雷はどのように落ちるの?

こたえ:雲の中にたまった電気を地表へにがすときに、強い光と大きな音が発生します。

雷の正体は、積乱雲(入道雲)の中で発生した電気です。ふつう、雲がうかんでいる空気は電気を通さないのですが、雲の中にとどめておけないほど大量の電気がたまると、空気中を電気が通って地表まで届くのです。このように、雲から地表へ電気をにがす(放電する)現象を「落雷」とよびます。

では、なぜ、雲の中で電気が発生するのでしょうか。その電気は、どのように空気中を伝わって地面まで届くのでしょうか。雲の中で電気がつくられるところから、順を追ってみてみましょう。

1)雲の中で電気が発生して「+」(プラス)と「」(マイナス)に分かれる

雲は、小さな水てき「雲つぶ」や氷のつぶ「氷晶」でできています(関連記事「雲は何からどのようにできるの?)。雲が発達して積乱雲になると、氷晶が増えて空気といっしょに上下に激しく動き、氷晶どうしがぶつかり合って電気を帯びます。これを「電荷」といいます1

電気がたまってくると、雲の高い方から「+」「」「+」の「三極構造」ができます。すると、雲の中では、この電荷のかたよりをなくそうとして、まんなかの層の「」の電荷が下の方へ移動し、「+」の電気をなくしていきます(「中和」)2。その後、「」の電荷はさらに下へ、つまり地表へ向かいます。

2)電荷の通り道を探す「ステップトリーダー」ができる

空気は電気を通しにくい性質のため、電気は一気に進むのではなく、進んでは止まり、また進んでは止まり、という動きををくり返し、通りやすい道を探しながら進んでいきます。これを「ステップトリーダー」(段階型前駆放電)とよびます。

ステップトリーダーは、約50m進むと30マイクロ秒~90マイクロ秒(0.000030.00009秒)止まり、また進みます3。平均の速度は150km/秒ほどなので、雲の高さが地上から約3000mのとき、ステップトリーダーが地上へ接近するのにかかる時間は約0.02秒です。

3)電荷の行ったり来たりで、雲の中を中和していく

ステップトリーダーが地表近くまで届くと、ステップトリーダーの先端と地表からの放電がつながり、地上から雲へ向かってプラスの電気が一気に流れる「リターンストローク」(帰還雷撃)が起きます。このステップトリーダーとリターンストロークのセットが、1つの落雷。電気の通り道の発光が「雷光」「稲妻」、雷の熱による空気の振動が「雷鳴」です(関連記事「なぜ、雷はジグザグに光るの?」「なぜ、雷はゴロゴロ鳴るの?」)。

ただし、ステップトリーダーとリターンストロークの行ったり来たり1回起きただけでは、雲の中の電荷を中和しきれない場合があります。このときは、雲から地上へ向かって再び放電が始まります。

この2回目の放電では、すでに電気の通り道ができているため、「−」の電気は一気に地表へ向かいます。これを「ダートリーダー」(矢形前駆放電)といいます。ダートリーダーが地表にたどり着くと、またリターンストロークが起きます。落雷1回の時間は0.5秒1秒ほどですが、電気の行ったり来たりは平均で34回、多いときは10回以上も起きています。

「落雷」という言葉の通り、雷は空から地表へ「落ちる」ものというイメージがあります。けれども実際は、下から上へ向かう雷もあるのです。

雷は、以下の4種類に分けられます4

 ①雲内の「」の電荷からの放電が、「+」に帯電した地表へ向かう雷(上→下)

 ②地上の「+」の電荷からの放電が、雲の中の「」の電荷へ向かう雷(下→上)

 ③雲の高い所、または底にある「+」の電荷からの放電が、「」に帯電した地表へ向かう雷(上→下)

 ④地上の「」の電荷からの放電が、雲の高い所にある「+」の電荷へ向かう雷(下→上)

①は、夏の落雷の約90%を占めます。その一方で②③④は、冬に多い雷です。また②は、鉄塔・風車・高層ビルなどの高い建物や山地でみられます。

記事公開:2022年4月

参考資料

1)荒木健太郎,津田紗矢佳『子供の化学サイエンスブックスNEXT 久本天気の関係を知って未来を予想してみよう 空を見るのが楽しくなる! 雲のしくみ』.20221.誠文堂新光社

2)フランクリンジャパン「雷の知識」『雷ぶらり』:https://www.franklinjapan.jp/raiburari/knowledge/lightning/37/

3)音羽電機工業「技術情報 雷対策のポイント 雷放電現象」:https://www.otowadenki.co.jp/basic4/

4)小林文明『雷』.20206.成山堂書店

監修者:大山光晴

1957年東京都生まれ。東京工業大学大学院修士課程修了。高等学校の物理教諭、千葉県教育委員会指導主事、千葉県立長生高等学校校長等を経て、現在、秀明大学学校教師学部教授として「理数探究」や「総合的な学習の時間」の指導方法について講義・演習を担当している。科学実験教室やテレビの実験番組等への出演も多数。千葉市科学館プロジェクト・アドバイザー、日本物理教育学会常務理事、日本科学教育学会及び日本理科教育学会会員、月刊『理科の教育』編集委員等も務める。

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