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カミナリって本当は下から上に登っているらしい。 光る仕組みからギザギザになる理由まで科学的に解説してみた

 今回紹介する、ゆっくりラボラトリー【化学解説】さんが投稿した『【ゆっくり解説】雷の原理 なぜギザギザ?なぜゴロゴロ音するのか?なぜ光る?』という動画では、音声読み上げソフトを使用して、雷の原理について解説していきます。

投稿者メッセージ(動画説明文より)

参考文献
図解 化学の話 大宮信光 監修 株式会社日本文芸社

安全な理科実験 観察のハンドブック作成委員会


なぜ雷ができるのか?

魔理沙:
 雷の原理について解説していきます。まず、どうして雷ができるのかについてですが、雷がどこで発生すると思いますか?

霊夢:
 雲の中ですよね。

魔理沙:
 その通りです。でも、どの雲の中でも雷が発生しているわけではないんです。雷が発生するときとそうでないときがあるんです。雷の元は静電気です。物が擦れ合うと静電気が発生することがありますよね?

 例えば、下敷きをこすって、頭にかざすと髪の毛が逆立つ現象などです。雲もこれと同じで、雲の粒子がこすれ合って静電気が発生します。

 これが激しくこすれ合うと雷が発生します。

霊夢:
 なるほど。雷の静電気は雲の粒のこすれ合いでできるんですね。

魔理沙:
 その通りです。どうやって雲の中で静電気が起きるか今から具体的に見ていきます。まず、雲の粒は雨粒と比べると非常に小さく軽いです。重力によって落下はしていますが、空気の抵抗が大きく、非常にゆっくり落下しています。

霊夢:
 雲って落下してるんですか? でも同じ高さにいるように見えますけど。

魔理沙:
 雲は、上昇気流に支えられて同じ高さのところに浮かんでいるように見えます。雲の粒は水滴の場合もありますが、上空は気温が低いので、氷になってることもあります。

 夏の雲では、地表付近が30℃でも上空ほど気温が低く、雲の上の方では氷点下50℃にもなっています。雲の下の方では水滴でも、上の方では氷の粒になっているんです。

 氷の粒は、冷蔵庫の霜ができるのと同様に、空気中の水蒸気が氷に付着し、直接固体に変化することによってできます。気体の水蒸気は液体の水滴よりもかなり敏速に移動できるので、水蒸気はどんどん氷に付着して、氷の粒は急速に成長することができます。そして、重くなって落下しようとするんです。

魔理沙:
 しかし、日射によって地表が温められ、強い上昇気流があるときは、舞い上げられてなかなか落ちてこれないんです。雲の中で上昇したり落下したりしている間に、更に大きくなって大粒のあられやヒョウになっていきます。

 大きさの違う氷の粒や霰や雹は、落下速度も違うので、互いに衝突を繰り返すんです。そのとき「こすれ合う」ということが起こり、静電気が発生します。

 衝突したときに、一方の粒子から電子を叩き出し、電子を失った方が正の電荷に、たたき出された電子を吸収した方が負の電荷に帯電します。このとき小さな粒(氷晶)が正電荷に、大きな粒(霰)が負電荷になります。どうして大きな粒の方が負電荷になるのかについては、実はまだ解明されていません。

 大きな粒の方が重たいので、雲の下の方に移動し、小さな粒は上昇気流によって雲の上の方に移動します。

魔理沙:
 どうして大きな粒の方が負電荷になるのかについては、実はまだ解明されていません。大きな粒の方が重たいので、雲の下の方に移動し、小さな粒は上昇気流によって雲の上の方に移動します。

 そのため、雲の下の方では負の電荷が、雲の下の方では正の電荷が集まります。また雲底に集まった負電荷によって、大地では正電荷が誘導されます。これを「静電誘導」と言います。

霊夢:
 なるほど。軽い粒は上に行き、重い粒は下に行き、それを繰り返すことで静電気が生まれ、雲の下に負電荷が溜まり、雲の上には正電荷が溜まるんですね。

魔理沙:
 その通りです。ある程度電荷が溜まってくると、蓄えきれなくなって放電します。このとき雲の下部の負電荷は、上空の正電荷に向かって高速で移動します。これが雲の中で起こる放電です。

 ところが、暗雲が低く立ち込めている時には、上空の正電荷よりも、大地に誘導された正電荷の方が近いことになります。そこで大地にめがけて放電する。これが落雷です。

 大地へ向かって走った電子は、空気中の中性の原子(酸素、窒素)に衝突しますが、大きなエネルギーをもっているので、原子から電子をはじき出します。電子を失った原子は正電荷のイオンになります。はじき出された電子も正電荷の大地に向かって走ります。

 正電荷のあるところには、雲からの次の電子がやって来やすくなっているので、次から次へと雲から電子が送り込まれ、いくつもの電子が突き進んで行きます。

霊夢:
 電子の玉突き事故ですね。

魔理沙:
 ついに大地に先頭の電子がたどり着く直前に、正の電荷が登り始め、負電荷が並んで通りやすくなった同じ道を正の電荷が雲まで登りつめて、地面から上空にめがけて電柱の柱が登ります。よく雷は上から下へ落ちると思われがちですが、実は逆です。

霊夢:
 そうだったんですね。雷は落ちてるのではなく上ってるんですね。

魔理沙:
 電子よりも大きなエネルギーをもった正電荷が通過すると、強烈な閃光を放ちます。これが眩しいくらいに見える稲妻です。

 雷ができる仕組み、そして実は雷は下から上へと上っていることが分かりました。

なぜ雷はギザギザなのか?

霊夢:
 なるほど。でもなんで雷はギザギザなんですか?

魔理沙:
 さっきも言いましたが、雲から出発した電子は、大地に向かって空気分子と衝突しながらも、できるだけ進みやすい道を通ります。そして、複数の電子が先頭の電子の後に続いてどんどん押し寄せていきます。

 先頭の電子が直進し、力尽きたら次の電子がそこから新しい道を開拓していくんです。そのため雷はギザギザな道になるんです。最終的に、背の高いものや尖った物に落ちます。

霊夢:
 なるほど。空気は絶縁だから、なるべく進みやすい道を選びながら進むんですね。そのためギザギザになるんですね。

魔理沙:
 その通りです。また、雷が落ちる時、雷のまわりの空気は3万℃に近い高温に熱せられます。この熱せられた空気は、急激に膨張し振動で音を発します。これが雷鳴の正体です。

雷の光とは?

魔理沙:
 次に雷の光についてですが、これにも音の発生と共通する過程があります。大容量の電流が一瞬にして流れることで、空気が加熱、衝撃波を生む一方で、加熱された空気は「熱発射」を起こし、そして光を放ちます。熱放射とは温度を持つ物体が電磁波を放出することであり、高温の物体からは可視光も発せられます。これは電球と同じ原理です。

 白熱電球はフィラメントと呼ばれる抵抗体に電気を流すことで加熱され、高温になったフィラメントは可視光を電磁波として放出します。このフィラメントを空気に置き換えて同じ現象を起こしたのが雷による発光です。

霊夢:
 そうなんですね。これで雷の光と音について理解できました。ゴロゴロオンは、空気が急激に膨張したときの衝撃波で、雷の光は空気が急激に熱せられた時の熱放射なんですね。

魔理沙:
 まとめると、なぜ静電気が起きるのか、なぜ雷が落ちてくるのか、

 雷のできる仕組み、なぜギザギザなどの方向性があるのか、そして雷の光が電球と同じ原理であることが分かりました。二人の解説をノーカットで楽しみたい方はぜひ動画をご視聴ください。


▼動画をノーカットで楽しみたい方は
こちらから視聴できます▼

【ゆっくり解説】雷の原理 なぜギザギザ?なぜゴロゴロ音するのか?なぜ光る?

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