2015年06月07日

落雷の電流

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私達,雷放電の研究者がお世話になっているというべきだろうか,雷放電の根源である電荷,
「一回の放電でおおよそ10クーロンから30クーロンが中和されている。」
というのが通説である。専門外の御常連様方にはクーロンという電荷の単位がなんとなくよそよそしく感じられるかもしれない。ただ
「ある点(ある面)を1秒間に1クーロンの電荷が走り抜ける場合,1アンペアの電流が流れた。」
と定義されている。
ところで雷放電の電流は,1000分の1秒程度しか流れないので,
「1000分の1秒の間に10クーロンから20クーロン,1秒に換算すれば1000倍の電荷量が走り抜けることになる。だから電流は10キロアンペアから30キロアンペアという勘定になる。」
ちなみに各家庭の漏電ブレーカーは,15アンペアだったり20アンペアだったりするので,雷撃電流の大きさを想像して頂けるであろう?
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2015年06月03日

落雷の範囲

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マレーシア南部のジョホール州Ramuniaに来ている。
当地のプロジェクトの現地調査,現地打合せが目的である。
この地に5km×7kmという矩形の土地に,石油化学系の工場群を建設するプロジェクトがある。赤道近くの土地だけに雷活動も活発で,一度雷雨となれば広大な地だけに逃げ場がない。そして昨年11月頃にとうとう犠牲者が出たということで,この地の雷活動予知及び避雷・防雷のプロジェクトが立ち上がり,我々が担当する事になったというわけである。
ということで,今日の話題はもう一度落雷についてとしたい。
昨日も述べた様に,落雷は一挙に進んでくるのではなく(と言っても我々の日常感覚からいうと一瞬だが)間欠的に前進と休止を繰り返しての進展となっている。さらにその進展はジグザグでかつ,いくつもに枝分かれ(Branching)をすることは,昨日も述べた。そしてその枝分かれは,両端で10km前後,時にはそれ以上にも及ぶことがある。擬人的に申し上げるなら
「何処に落ちようか?」
何ぞと,着地点を探しているとでも言えるかもしれない。そして広がりが10kmあるいはそれ以上にも及ぶということは,
「落雷する可能性のある地点が,えらく広がっている!」
ということになる。
私は周囲に建物の何もない様な平地で雷鳴を聞いたら,
「可及的速やかに建物や車の中に移動して待機するように!」
とご助言を差し上げるようにしているのも,この辺りにある。
即ち雷鳴の可聴範囲は,15km程度だから,先ほどの可能性と併せて考えれば,次の落雷は頭上に来るかもしれないぞという可能性を含んでいると考えるからである。
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2015年06月02日

ステップトリーダ

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雷放電の話題を続けている。
実は,明後日6月3日にシンガポールで,専門外の方々に雷放電の話題を提供する。そんなこともあって自身の頭の中を整理する意味も込めての,ブログでの話題提供なのである。
さて雷放電と言えば,電光と雷鳴,とりわけ電光は,かつてはカメラによる光学観測が盛んにおこなわれていた。そして昨今は一秒間100万コマといった超高速ビデオカメラが比較的容易に手に入るようになり,その利用易さもあってだろう世界中の大気電気研究者により用いられている。取り分け雲の中で始まって大地に向かって下りてくる「落雷(対地放電)」に至る現象,時間にして1秒の10分の1から5分の1,の研究が活発である。我々の専門用語でステップトリーダと呼ばれる現象で,昨日話したように空気は電気を通さない絶縁体だけに一気に進んでしまうということは不可能で,数十m進んでは小休止という型を繰り返しながら,地面に向かってくる。そして通常ジグザグに進んだり,枝分かれをしたりして進んだりするのである。そしてその形からForked lightning 何ぞといったニックネームまで付いている様だが,この命名は専門家の間で必ずしも認知されているわけではない。いずれにしても,そういう風にして進んできた放電の進展が,見事大地に到着した時,目も眩む電光と大地を揺るがす雷鳴を伴って,帰還雷撃電流が大地から雷雲に光速の3分の1程度の猛烈な速さで駆け上るのである。
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2015年06月01日

雷放電について

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雷雲内に十分電荷が貯えられ,その電荷による地上付近での<電界強度が10kV/m程度になると,通常の場合雷雲内ではその100倍以上の電界強度になっていることが多い。ちなみに電界強度というのは,電気的に物を引き付ける力の強さで,単位はV/m 10kV/mというのは1mの電位差が10,000Vであり大人の人の頭と足の間に電圧が10,000Vかかっていることを意味する。通常我々の家庭で使用しているのは100Vであるから,その100倍という事になり,大きいことが判って頂けようか。
それならその電気的に物を引き付ける強さ,電界強度は雷放電の開始するような雲の中ではどの程度かというと,さらにその100倍近くになっているという,観測結果がある。この結果は,ゾンデ(気球)に電界強度を測る装置を積み込んで,雷雲内で実測された平均的な意味での結果であり,場所によってはもっと強くなっている場所があるかもしれない。というのも,室内実験で放電の開始する電界強度が確かめられており,3,000,000V/mが通説となっているからである。つまり空気は極めて電気を通しにくい媒質であり,雷放電はその電気を通さない空気を,一時的に電気を流し得る状態に変えてしまう現象なのである。
この手の話は,専門外の方にはいささかご理解いただきにくいだろう。ただ,高校生の頃に,分子とか原子とかいったことと物理や化学で習ったことを覚えていらっしゃったら,その分子や原子は,プラスの電気(正確には電荷)とマイナスの電気からできていて,通常はプラスとマイナスが同じ数だけあるので中性。中性のままでは電流が流れないので,一時的にせよプラスとマイナスがバラバラの状態になって初めて電流が流れる。そして先に述べた非常に大きな電界強度は,プラスとマイナスがバラバラになる様作用するのである。ちなみに一時的とは,一秒の1000分の1程度だから,日常生活という観点,我々人間の感覚からは瞬きの時間にもみたない程の短時間なのである。
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2015年05月31日

雷雲内の電荷発生は?

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雷が、雲の中の電気現象であることが明らかとなったのは1750年代、ベンジャミンフランクリンの「凧揚げ」による実験であることはよく知られている。ただそれなら、どのようにして雲の中に電気が貯まるのかといった基本的な事については、結局のところ明らかとなったのが、なんと1980年代なのである。「なんと」といった修飾語を付けたのは、
「雷雲内の電気の貯まり方が解明されたのは、まだ30年ほど前のこと。」
という事実は、専門外の方にとってはきっと驚きに値するだろうと、考えたからなのである。
ではそれまで雷放電の研究者達は、どのように考えていたのだろう。
1. 摩擦電気
2. 地上の電荷が持ち上げられる
3. 水滴が外部電界で分極して


といった仮説があり、このうち2番目の「地上の電荷が持ち上げられて!」といった仮説が大いに幅を利かせた時代もあったようである。
私が雷放電の研究に関わるようになった頃には、
「雷雲内で、霰と雪が接触しさらに過冷却水滴がそれに作用して」
という着氷電荷分離機構が実験的に確かめられ、ほぼ決着していた頃であったというのに、依然として地上の電荷が持ち上げられるという「対流説」の信奉者がいた。それも結構著名な研究者の一人で
「河崎君、私の仮説を皆が否定するんだよ。」
と愚痴りながら、山と山の間に電線を張って電荷を発生させて雷雲を作るという稀有壮大な実験を、紹介してくださったのを覚えている。結局「対流説」が否定され、「着氷電荷分離説」が今日のところ、雷雲内の電荷発生を理解しうる仮説となっている。
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2015年05月25日

雷の話

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シンガポール,いやこの辺り一体マレーシア南部,インドネシアなどを含めての東南アジア,世界有数の雷活動日多数地帯である。ちなみに,中央アフリカ,南米を加えて三大雷多発地帯で,世界の煙突との異名がある程である。「煙突」と呼ばれる所以は,熱帯地方だけに上昇気流が半端ではなく,ともすれば成層圏に突き抜ける程の積乱雲が発達し,地上付近の熱エネルギーが成層圏にまで運ばれるからである。さらにいうと,成層圏に運ばれた熱エネルギーが中緯度地帯に運ばれるので,地球規模での熱源となっているのである。そしてシンガポールの雷雨日数は,160日〜180日とされていて,二日に一日は雷雨日という勘定になる。だから,当地の人々は比較的雷活動には無頓着な気がする。被雷すると死に至ることは当然知っている筈なのだが,一方ピカピカゴロゴロやっていても,あまり大騒ぎしない。先日もある工場予定地を訪問した際,ボーリングのためのクレーンが何台もあって,たまたま休息していた作業員の方に
「雷活動が起こったらどうするの?」
と尋ねたら,最初は質問の真意が分からなかった無しく怪訝そうな顔をした。
そしてしばらく考え込んで
「監督から作業中止の命令が来るまで作業する。」
との答え。何せだだっ広いところに30m〜40mのクレーンがにょっきりと立っているのだから,落雷があると避雷針代わりになりかねない筈で,だというのに恐怖心も無い様なのには,驚かされる思いがした。
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2015年05月22日

関東地方の激雷

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今日は専門的な話ながら,いささか皮肉っぽい話題である。
日本のテレビ放送を楽しんでいたら,
「関東で雷が猛威!」
とのニュース。
さてそのニュースの中で,
「雷がものすごく激しくで,マンションの窓ガラスが割れた。」
と報じていた。
専門外の方々は,このニュースをご覧になったら,
「さぞかしものすごく大きい落雷が!」
と理解されるだろうが,これは全くの感違い。勘違いは決してご常連ではなくて,誤解を招くような報道をする放送局なのである。
実は雷放電(落雷)は,放電路と我々の読んでいる雷電流の通り道を一瞬で加熱するので,衝撃波が発生する。それゆえ落雷地点がガラス窓に近ければ,よほどの強化ガラスでない限り割れて必然なのである。放送局の方々は専門家でないとはいえ,科学部もあるだろうから間違っても
「ガラス窓が割れるほどの強烈な落雷でした。」
何ぞといった報道をしないで欲しいものである。
早い話雷活動の激しさと窓ガラスの割れるのとは,何の因果関係も無いのです。
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2015年04月25日

広帯域干渉計2

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昨日から,VHF波帯広帯域干渉計という,雷放電を詳細に二次元(もしくは三次元)で,目に見える形にする装置の事を話している。
大仰にいうなら,私が雷放電の研究,大気電気学の研究に取り組むようになって,定年で大阪大学を退職するまで,ひたすらその装置を改良し,観測を実施しながら,改良に努めてきたという事になる。
私自身の中で明確に干渉計という装置を意識したのは,1985年6月のフランスの国際会議で,フランス人のフィリップ リチャードの発表を聞いた時だから,今年で30年という事になる。運が良かったのは,その当時所属していた研究所の隣の研究室に,太陽電波写真儀という大型装置を研究しているグループがいて,その原理が電波干渉計そのものであったことであろう。一方当時の干渉計は,今でいう「狭帯域干渉計」であったし,私自身最初はフランスの装置のデッドコピーから取り掛かり,1990年代中頃になって「広帯域干渉計」という阪大グループのオリジナルな装置を手掛けたので,実際には丸20年というのが正確かもしれない。
昨日も書いた様に,最近は他の研究グループでも「広帯域干渉計」を用いる様になってきており,ここに至るまでの紆余曲折はともかく,苦労のし甲斐もあったと正直思っている。
さらにはここにきて,いわばライバル側のスタッフであったニューメキシコのマイケル君が「干渉計の方が面白い!」
と,我が方のグループに参加し,究極のVHF波帯広帯域干渉計を目指して取り組んでくれている。究極とは,1秒間100万点から200万点の放射源を3次元でそれも実時間で推定してしまおうという,稀有壮大な取り組みである。マイケル君と私の理解は,
「これが出来れば,非常に時間分解能の高い,受動的なレーダともいえそう!」
といったところにあり,今からおおよそ半年間の研究が鍵となりそうなのである。
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2015年04月24日

広帯域干渉計1

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たまには、雷放電研究の話題を取り上げたい。
夏の風物詩である雷活動は,古来より信仰の対象でもあったようで,「風神雷神」という名画も江戸時代に描かれている。実際尾形光琳や俵谷宗達の傑作を,ご覧になった方も少なくは無かろう。そんな雷放電が,自然科学の対象となったのは,1750年代欧米で行われた実験,中でもベンジャミン・フランクリンによる雷雲下での凧揚げの実験であろう。フランクリンはこの実験で,
「雷放電は,雲の中の電気的な現象である。」
事を証明している。ただ何人かの科学者の中で,ベンジャミン・フランクリンの名のみが現在にまで残っているのは,彼がその対策として避雷針を考案し,それが今日でも利用されているからであろう。
余談ながら,我が国にも1800年代初頭に,ベンジャミン・フランクリンと同様の実験を行った中環(なか・たまき)という学者が、泉州は熊取にいたことをご存じだろうか?鎖国時代の我が国にあって,僅か50年遅れで実験されているというのは驚きであるけれど,私の理解では,当時唯一の貿易対象国であった,オランダ(蘭学)を通して知り得た情報という事になる。
そんな雷放電が,再び自然科学の対象となるのは,技術が進み様々な光学観測が可能となった1930年代で,アメリカ合衆国や南アフリカの科学者たちが,「ボイズカメラ」を利用して,雷放電の進展速度を計測するようになって以降という事になる。その後,雷放電の放射するラジオ周波数の電磁波を利用した研究が1970年代になって実施され,俗にいう落雷位標定装置が実用化されている。この装置は落雷位置を,ほとんど実時間で地図上に表示できる装置で,米国で実用化され,その後我が国にも電力会社を中心に導入され,今日では国内ネットワークが実現されている。
今まで雷放電と一語で表現して来たけれど,正確には雷雲内の電荷が大地の導かれる「対地放電(落雷)」と,雲の中で放電が完結してしまう「雲放電」の二種類がある。両者とも,雷鳴と電光を伴うのが普通で,先に述べた光学観測や落雷位置標定装置は,対地放電に対する研究であり,科学者の常として
「それなら雲の中ではどうなっているのだろう?」
との疑問が沸いてくる。そして研究者達は,テレビ周波数帯の電磁波(VHF/UHF)に注目するようになり,1980年代後半以来日米欧で取り組まれることになった。この電磁波は,雷放電が進展するその先端から主として放射されるので,専門家が放電路と呼んでいる「雷様の走る様子」が,電磁波により可視化される。透明度が悪く,光学観測では見ることのできない雷雲の中の様相まで,くっきりと描像できるのである。我田引水ながら「VHF波帯広帯域干渉計」と呼ばれる装置は,私達大阪大学 環境電磁工学領域の発案になるもので,今日世界各国の研究者達が利用するようになってきている。嬉しくもあり、誇らしくもある。
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2015年03月29日

落雷電流を測る実験

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たまには,私の専門の話題を取り上げたい。
ひょっとしたら,一,二ヶ月前にも取り上げたかもしれない話題。ただ年齢を重ねると,色々なことを忘れやすい上に,話しがくどくなるものなので,その点はご容赦を・・・。でもって,話題は俗にいうFlash densityに関して,つまり統計に基づいて1年に1平方kmあたり,果たしてどれくらい落雷数があるだろうかと点についてである。それも私の現在滞在している,シンガポールに関してである。
何の統計によるのかは明らかではないものの,当地の耐雷・防雷の専門家は,Flash densityを20という。ちなみに雷雨日数は200日以上というのも,もっぱらのうわさ(?)である。
本題のFlash density に戻せば,20/year/km2 と表すことができる。この20を多いと考えるか,少ないと考えるかは,専門外の方ならかなり主観によることになるのだが,専門的観点からいうなら,多いと断定して間違いは無い。そしてこの判断は,私一人では決してない。
この判断をよりどころに,仲間が200m×200m程度の更地に,ちょっとした鉄塔を建設して落雷電流を測ろうという実験を実施した。Flash density 20を勘案すれば,この広さへの敷地内への落雷は,1年に一回程度というのが統計の教えるところで,さらにいかに鉄塔を建てようとも,この敷地内への落雷の10度に1度くらいしか塔には直撃しまい。
(これも統計的な推論であるが,詳しい説明は省略する。)
さて先ほどの実験,丸三年を経過して二つの塔への直撃を合計3度と聞いた。塔を100m以上も離して立てているので,敷地内に可能性のある落雷(一年一回だから,三年で三回)を,都合良く全て捕捉したということになる。まぁ高いものが被雷しやすいということを,証明したようなものになるのだろう。だから実験としては,まぁ効率的であったというのが私の判断,ただ仲間の何名かは
「シンガポールは,雷が多いというのに,あの地域は実験には向いていない。思いの外あの地域は雷が少ない!」
と,不満たらたら。さらに三年の実験継続が決定されそうなのだが,実験場所を変えようかと主張する人もいる程である。私は,実験場所を変更するのは,得策ではないと主張しているけれど・・・。
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