◆ 雷とは何か？

　電気に対する物体の性質としては導体と絶縁体があります。この絶縁体に加えられる距離当たりの電圧が、物体が耐える限界値を超えると絶縁破壊という現象がおき、放電がおこって瞬間的に電気が流れます。
　空気は絶縁体ですが、1センチメートルあたり5000ボルト以上の電圧を加えると、パチッと火花が飛ぶ放電がおこります。　この音と光を出す放電を火花放電といいます。雷というものは自然がおこす超大型の火花放電です。

・何が雷をおこすのか？

　何が雷をおこすのかというと、雷雲がおこすのです。さて、ここでもう一度雲と雨はどういうものかをおさらいしてみましょう。

　雲粒というのは空気中に浮かんでいる水滴または氷粒です。大きさ100分の1ミリメートル以下で、目では見分けられないくらい小さいものです。その100分の1ミリくらいの水滴、あるいは氷粒は（氷の場合には結晶になっていることが多いのですが）、いずれも落下速度が１秒間に３ミリメートル以下です。一秒間に３ミリメートルしか落ちませんから、ほとんど回りの空気と一緒に動きます。これが我々の見る雲の正体です。

・雨、あられ

　次に雨について。雨粒というのはどのくらいの大きさかといいますと、10分の1ミリメートルから3ミリメートル、目で見ても分かる大きさになります。雨は液体ですから、大きくなると分裂するので、直径３ミリ以上の大きさにはなりません。

　ところが氷粒ですと分裂しないで落ちますから、条件がととのえば、非常に大きくなっていきます。5〜6ミリ位のものをアラレ。それ以上大きいものをヒョウといいます。

・雷雲

　普通の雨雲だと、雲粒と雨粒の間で電気が分かれますが、空気の絶縁を破ることにはならず、分かれてできた電気はやがて消えてしまいます。雷雲というのは、空気の絶縁破壊をおこすほど強い発電作用を持つ雲です。

　元来プラス、マイナスの電気は引きあって中和し、安定した中性状態になります。ところが雷雲の中では、雲粒にはプラス電気が、アラレにはマイナス電気が分かれ、雲粒のプラス電気は上昇気流で吹き上げられ、アラレのマイナス電気は重力でひき下ろされて、雲の上の方にプラス、真ん中から下の方にマイナス電気が溜まります。

　発電するには必ず動力がいります。雷発電機の動力は重いアラレ、ヒョウを引きずり下ろす重力と軽い雲粒を吹き上げる上昇気流の風力です。これが雷発電機を回す動力です。

・雷雲の構造

　大気は上空に行くほど冷たくなります。温度は平均１キロメートルあたり6.5℃下がります。この大気のなかでは、水蒸気を含んだ空気が上昇すると、水蒸気は水滴、氷粒になり、雲ができます。雲が発達すると雨や雪が降ります。この大気層を対流圏といいます。

　大気というのは大きく分けて4つの圏からできています。一番下の圏は、いま話した対流圏です。その上が成層圏です。成層圏では、高さとともに温度が上がり、オゾン層で温度は最高になります。その上は高さとともに温度が下がる中間圏になります。さらに上に行くと熱圏となって、再び高さとともに温度が上がります。

　これらが4つの圏といわれていますけれども、私達の知っている天気現象がおきるのは対流圏です。雷雲というのは対流圏のてっぺんに届く背丈の高い雲です。

◆ 放電について

　雷雲の中に溜まったプラスとマイナスの電気が中和する放電を雲放電といいます。雷雲の下部のマイナス電気が、地面にプラス電気を呼びよせ、このプラス、マイナスの電気が中和する放電が落雷です。この落雷は雲のマイナス電気を地表に放電することになります。

　雲放電、落雷どちらの放電もスケールは大体同じ程度で、代表的な長さは5キロメートルです。長さには大きい幅があって、2キロメートルくらいのものもあれば10キロメートルを超えるものもあって、ここから酒田市の上空まで伸びていくという非常に長い雷もあります。電圧はどのくらいかというと、落雷をおこす直前の雲の中心の電圧は、地表に対しておよそ1億ボルトと推定されます。

・雷の電流の大きさは？

直流ですと時間が変わっても電流値は同じです。交流はプラスとマイナスと変わりますけれども、関東地方ですと50サイクル、関西では60サイクルで必ず元に戻ってきて、いつも同じ状態が繰り返されています。

ところが雷の電流の継続時間は僅か10万分の数秒程度です。100万分の1秒という瞬間的な時間で約3万アンペアとなり、10万分の4秒後には半分に減ってしまいます。雷電流を模型的に書くと資料の図のようになります。こういう短時間の電流を衝撃電流と言って、最も高い値（波高値）と、半分に減るまでの時間（波尾長）で、その値を表します。

・雷のエネルギー

　雷のエネルギーですけれども、１回のピカゴロは、どのくらいの電気エネルギーでしょうか？一般家庭は、使用した電気エネルギーに比例して電力会社に電気料金を払います。電圧や電流で料金を払うわけではありません。電気エネルギーは（電圧×電流×使用時間）で計算されます。
　雷のエネルギーも（電圧×電流×継続時間）で計算されます。その値を推定すると、大体400キロワットアワー（キロワットアワーはエネルギーの単位です）となります。これは、家庭用の電力にすると、１軒２箇月分くらいになります。プロ野球のナイターでは30分間の照明に相当します。

・連続雷撃

　これは、カメラをゆっくり回しながら雷放電を撮影した映像です。　1回、2回、3回、4回放電を繰り返しています。次の映像は、あまりはっきりしませんが、1回放電がおこって、そのあと放電路が弱く光り続けています。これは後で述べる連続雷撃の映像です。

高速カメラで落雷を撮影すると、最初雲から空気の絶縁を破って火花放電が下りてきますが、約30メーター進むと一瞬止って、一休みした後再び30メーター進んで、進行と停止を繰り返して地表に向かいます（停止時間は10万分の1秒程度の極めて短い時間です）。この放電が地表にとどくと、今度は非常に明るい火花放電が、同じ道を通って雲に向かって非常に早い速度で上昇します。このように雷放電は雲から地表に下降し、ついで地表から雲に向かって上昇する往復運動となります。この一組の放電を雷撃と呼びます。上昇する明るい放電の光が直ぐ消えるのは間欠雷撃、光が弱く継続するのが連続雷撃です。一つの落雷で雷撃は1回で終わるものも数回繰り返すものもあります。ここに示した高速カメラ像は、3回の雷撃を繰り返しています。一般に、最初の雷撃では、下降する放電が、進行、停止を繰り返してステップ状に進みますが、2番目以後の雷撃では、下降する放電はステップを踏まず連続的に進行します。
　

次は雷雲というものはどういうものか見てみましょう。

　雷雲はセル（細胞）といわれる雲の単位からなりたっていて、雷雲セルという言葉がよく使われます。

　雷雲セルはアラレやヒョウを沢山降らせる雲ですから、その高さは夏は７キロメートルから、激しい雷雲ですと16キロメートルになります。背丈の高い雷雲は対流圏のてっぺんに届きます。冬はアラレのできるマイナス20℃という温度層は、地上に近くなっていますから、高さ5キロメートルくらいの雲でも雷をおこします。

　雷雲セルの水平方向の直径は5〜10キロメートルくらい、時間的には最初の15分で上昇気流が十分に発達します。次の15分で今度はアラレやヒョウが沢山できて、これらが空気を引きずって落下して下降気流をつくります。上昇気流と下降気流の対ができて、ピカピカゴロゴロ放電を行って、地上には激しい雨が降ります。これが15分くらい続くと、全体が下降気流になって、アラレや雨が降るだけになり、15分たつと雲は消えてなくなります。このように雷雲セルの寿命は45分ですが、一つの雷雲セルが消える前に、隣に次の雷雲セルが発生して、実際の雷雨は45分以上続くことが多くなります。

　一晩中ゴロゴロ雷が続くのは、つぎつぎと雷雲セルが発生する場合です。そして、広い範囲に雷雨が発生するのは、たくさんのセルが同時に活動する場合です。

　雷雲セルの特徴として、最盛期のときには、10秒に１回くらいの割合で放電をおこします。自然現象ですから放電活動には幅があって、1回ゴロと放電して終わってしまうものもあれば、３秒に１回くらいの割合で放電を繰り返すものもあります。活動の激しいのは主として夏の雷雲で、冬の雷雲は１回の放電で終わってしまうものが少なくありません。



・雷の種類

　上昇気流ができる原因によって雷雲は分類されます。

上層の空気が冷たく、下層の空気が日射などで暖められると上昇気流がおきます。この上昇気流でつくられる雷雲を熱雷（気団雷）と呼びます。

冷たい空気と暖かい空気が接していて、冷たい空気の方が前進すると、冷たい空気は重いので暖かい空気の下に潜り込んで行きます。暖かい空気の方が前進すると、冷たい空気の上を暖かい空気が滑り上がります。いずれにしても上昇気流がおきますから、条件の良いときには雷雲ができます。こういう雷雲を界雷（前線雷）と呼びます。

低気圧の中では上昇気流がおきますから、この上昇気流でできる雷雲を渦雷（低気圧雷）と呼びます。

　冬の雷雲は、冷たいシベリア気団が比較的暖かい日本海の上を渡ってくるときにできるので、熱雷の一種です。
　　

◆ 冬の雷について

　対流圏の高さは、温帯地方ですと夏は16キロメートル、冬は10キロメートルあるいはもっと低くなります。このように冬になると雷雲ができる大気層が薄くなりますから、どうしても上昇気流、下降気流が弱くなります。したがって、冬の雷雲では、アラレの降り方が夏の雷雲より弱くなり、放電活動も弱くなります。

　資料の夏冬の雷雲を比較する図では、地表からの高さを温度で表しています。夏は地表は30℃で、０℃層の高さは約５キロです。アラレができるマイナス20℃層は高さ約7キロメートルですから、7キロメートル以上に発達する雲が雷雲になります。日本海沿岸の初冬では、地表は約10℃、マイナス20℃層の高さは約5キロメートルです。したがって高さ5キロメートル以上の雲が雷雲になります。一般に、冬の雷雲の方が上昇気流が弱く、継続時間も短くなります。　



夏の雷雲では、強い上昇気流が継続して、プラス、マイナスの電気が分離して、つぎつぎと雲放電がおこります。冬の雷雲では、一度アラレがザットと降って電気を分離し雲放電をおこしますが、上昇気流が弱いためアラレの補給が続かず、電気の発生もしりつぼみになります。このため、一回ゴロっというだけで終わる一発雷が多くなります。

　冬の雷雲で弱いながら上昇気流が続くと、アラレは放電をおこさないでマイナス電気を担ったまま地表に落ち、プラス電気の方は雲中にどんどん溜まります。これがたくさん溜まると、最後に空気の絶縁が破壊してパッとエネルギーの極めて大きい落雷になります。


　冬の落雷の特徴は三つあります。一つはプラス電気を地表に放電する落雷の割合が高いことです。夏の落雷は大多数がマイナス電気を地表に放電しますが、冬の落雷は雲の上の方に溜まるはずのプラス電気を地表に放電するものが30％くらいあります。


　夏の落雷では、最初に空気の絶縁を破壊する放電は雲から地表に向かって下降します。ところが冬の落雷では、最初の放電が地表から始まって、雲に向かって上昇するものがあります。こういう落雷の割合が多いことが二番目の特徴です。このタイプの落雷は上に向かって枝分かれする特徴をもっています。また夏の落雷は雷撃を数回繰り返すものが大多数ですが、冬の落雷では雷撃が1回で終わり、そのあと連続雷撃が続くという形のものが多くなります。

　三番目の特徴は、ときどきですが、エネルギーがものすごく大きい落雷がおきることがあります。日本海沿岸の化学工場に落ちて大被害をおこした例、送電線に落ちて大規模の停電をおこした例などがあります。

人体の皮膚は絶縁性ですけれども、皮膚の下は血液が流れ、リンパ液に満ちていますから、生理食塩水と同じように電気が流れます。導体の状態です。
　そこで模擬実験を行うには、マネキン人形に電気を流す塗料を塗って、頭から両足までを人体と同じ300オームにします。その上に更に絶縁塗料を塗って、皮膚に相当する絶縁被膜をつくります。

　こういう模擬人体を製作して、落雷と同様な短時間の高電圧を発生する装置を使って放電実験を行います。模擬人体を二つ対称に置いて、一方には金属を付け、一方には金属を付けないで、どちらに放電がとぶか調べました。結果は両方に同数回放電がとびました。

それからどんな傷害がおきるか、死因はなんであるかということを調べるため、動物に同様な高電圧を加える実験を行いました。

・模擬人体への実験

　これは実際の模擬人体です。電気を流す塗料というのは、このように黒色です。全体で300オームですから、放電がとぶと、模擬人体の内部には目に見えない電流が流れるはずです。たしかにこの電流が流れますが、同時に体表に沿って火花放電が発生します。このように面に沿っておこる放電を沿面放電といいます。模擬人体表面では、沿面放電が非常におき易いことが分かりました。

　模擬人体に金属ジッパーを着けて実験をしました。一回目はジッパーを着けた方に放電がとばず、２回目は着けた方に放電がとびました。このときは金属ジッパーのところで沿面放電が非常に激しくなっていました。金属ジッパーのところは空気の絶縁が破れ易くなっているからです。
　模擬人体の一つにはフード付レインコートを着せ、もう一つは着せない実験もしました。結果はどちらにも同じ回数放電がとびました。ヘアピンをつけたものとつけないものの比較は、塩原にあります世界で有数の高い電圧の発生装置を使って、4メートルの火花放電をとばせる実験を行いました。結果はやはり同じでした。

（スライドの説明　一枚一枚に短いコメント）
　雷は金属に落ちるといわれますが、実際には地上から突き出る300オームの人体そのものに落ちるのです。
頭より高く物体が突き出ていると、金属・非金属にかかわらず一層落雷を受け易くなります。



・ 雷紋について

　雷にうたれた人には電紋と呼ばれる模様が体表にできます。これはどうして出来るのか分かりませんでした。血管に沿って電流が流れるからではないかという珍説がありましたが、人間の血管というのはこんなふうには分布していません。何故これが出来るか実験で調べました。

　ウサギの背中の毛を刈って、人間の皮膚に近い状態にし、ここに放射状に広がる沿面放電をおこしました。数時間経つとその沿面放電と同じ形に皮膚が赤くなりました。電紋は、沿面放電によって皮膚にできる軽い熱傷であるとことがわかりました。

　雷電流が体の外を沿面放電で流れると、脳髄や心臓を通る体の中の電流がそれだけ減ることになります。沿面放電電流の割合が高くなると、落雷の直撃を受けても助かることがあります。

・人体に落雷したケースを紹介

　これは長野県の水田で稲の草取りをしていた親子が雷にうたれ、息子の方が直撃を受けて死亡したケースです。息子の方は体に沿って所々に火傷が出来ていますが、つながっていません。体の中を流れる電流、脳や心臓を流れる電流で死亡しています。先ほど申し上げるのを忘れていましたけれども、動物実験では、死因は呼吸と心臓が止る呼吸停止・心停止であることを確かめています。

　これは志賀高原で信用組合の職員の二人が、お得意さんの子供たちを連れてレクリエーションに来て、雷雨が来るので、子供たちを全部ホテルへ引揚げさせて、最後に二人がこの木の下を通るときにこの木に雷が落ち、二人が木から側撃を受けました。これがUさんです。助かりませんでした。ところどころに火傷や電紋ができていますが、つながっていません。これはSさんですが、沿面放電がこのように頭から足までつながって発生し、助かっています。すねのところには火傷がありませんが、毛が焼けて毛玉になっています。

　これは三重県の御在所岳のケースです。雷が激しいので、大勢の小学生が、林の中の山道に一列に並んで、雨宿りしていました。一人の生徒が、木に落ちた雷の放電を受けて失神しました。これを側撃といいます。帽子が放電でこんなふうに破れています。髪の毛がこんなふうになっており、沿面放電がおきて背中を火傷していますが、命は助かりました。
　

・ 　　これは小学生が集団で登校する道です。道ばたの高い木に落雷しました。小学生は雨傘をさしていて、雨傘と木の枝先との間隔は2メートル以下でした。これは雷が落ちた木の幹に生じた沿面放電の痕跡で、雷電の爪痕と言われるものです。これは側撃にうたれた三年生の女子生徒の顔写真で、沿面放電の火傷で、ものすごい顔になっています。沿面放電で頭から足まで大きな火傷を受け、その手当が大変でしたが、命は助かりました。これは二年生の男子生徒ですが、こちらも大変酷い火傷ですが、頭から足までつながっていて助かりました。二人とも火傷の手当は大変でしたが、全快しました。落雷は5月15日におきて、女子生徒は5月31日にはこれくらいに回復しました（火傷の治った顔写真）。

◆人体への落雷の11の特徴　

　　　これについては資料の6項をご覧下さい。

　　最後に安全の問題について述べます。人が落雷にうたれない安全空間というのは、丈夫な導体に囲まれた空間です。

　人体は空気という絶縁物でかこまれています。落雷はそれを突き破ってくるのですから、雷電流を安全に地面に流してくれるしっかりした導体に囲まれているところが安全です。実際には電車、自動車、鉄筋コンクリート建築等の内部です。木造建築でもしっかりした建築でしたら、内部は普通安全です。

　もう一つは避雷針や送電線・配電線の保護範囲に入ることですが、これには注意が必要です。

　避雷針の保護範囲というのは、余り当てになりません。雷によってこの保護範囲は変わるからです。強い雷は遠くから避雷針に吸い込まれるので、保護範囲は広くなります。弱い雷ですとヒョロヒョロと避雷針の足元に落ちてくることがあります。保護範囲というのはこのように雷によって変わりますが、通常、避雷針の足もとから避雷針の高さを半径とする円内は安全になります。避雷針の高さが30メートル以上になると安全な円の半径は30メートルどまりとなり、高さには比例しなくなります。どの場合でも避雷針の安全確率は100%ではありませんから、出来るだけ安全空間に避難することです。

送電線や配電線がありますと、その真下から両側へ電線の高さと同じ幅のベルト地帯は保護範囲になりますから、こういうところを通って安全空間に避難することです。



屋外では人体は同じ高さの金属像と同じように落雷を受け易いので、雷雲が近づく前に安全空間に避難しなければなりません。落雷点は雷雲の直下に限らず、落雷毎に1〜15キロメートル不規則に移動します。雨が降っていないとろ、雷鳴がかすかに聞こえる遠いところに落雷する確率はゼロではありません。確実に落雷を避けるには、かすかでも雷鳴が聞こえたら直ちに安全空間に避難することです。



　時間になりましたのでこれで終わりますが、雷に関する参考文献には、
日本大気電気学会編集 『雷から身を守るには---安全対策Q＆A---』、
北川信一郎著 『雷と雷雲の科学』がありますので活用して下さい。