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雷と稲光の発生。雷雲の発生源

約 1 秒ごとに 700 雷、そして毎年約 3000 落雷によって人が亡くなります。雷の物理的性質は完全には説明されておらず、ほとんどの人は雷が何であるかについて大まかにしか理解していません。放電によっては雲の中で衝突したりすることもあります。今日、私たちは雷の性質について詳しく知るために物理学のライターに相談しました。雷はどのように現れるのか、雷が落ちる場所、なぜ雷が鳴るのか。この記事を読めば、これらの質問や他の多くの質問に対する答えがわかります。

雷とは何ですか

稲妻– 大気中での火花放電。

放電媒体内に電流が流れるプロセスであり、媒体の電気伝導率が他の媒体に比べて大幅に増加することに関連しています。正常な状態。存在する他の種類ガス中の放電: スパーク, アーク, くすぶっている.

火花放電は次のような場合に発生します。大気圧特徴的なパチパチという火花を伴います。スパーク放電は、消滅して互いに置き換わる一連のフィラメント状スパークチャネルです。スパークチャネルとも呼ばれます のぼり。スパークチャネルはイオン化されたガス、つまりプラズマで満たされています。稲妻は巨大な火花であり、雷は非常に大きな音の亀裂です。しかし、それはそれほど単純ではありません。

雷の物理的性質

雷の起源はどのように説明されていますか? システム 雲の地面または クラウドクラウドコンデンサーの一種です。空気は雲の間の誘電体の役割を果たします。雲の底はマイナスの電荷を帯びています。雲と地面の間に十分な電位差がある場合、自然界で雷が発生する条件が発生します。

ステップリーダー

稲妻の本閃光の前に、小さな点が雲から地面に移動するのが観察できます。いわゆるステップリーダーです。電子は、電位差の影響を受けて、地面に向かって移動し始めます。移動すると空気分子と衝突し、イオン化します。雲から地面まで、いわばイオン化されたチャネルが敷かれています。自由電子による空気のイオン化により、リーダーの軌道ゾーンの電気伝導率が大幅に増加します。リーダーは、いわば、主放電への道を切り開き、ある電極（雲）から別の電極（地面）に移動します。イオン化は不均一に発生するため、リーダーが分岐する可能性があります。

バックファイア

リーダーが地面に近づくと、末端の緊張が高まります。応答ストリーマー (チャネル) は、地面または表面上に突き出た物体 (木、建物の屋根) からリーダーに向かって投げられます。この雷の性質を利用して避雷針を設置することで雷を防ぎます。なぜ雷が人や木に落ちるのでしょうか? 実際、彼女はどこに攻撃するかは気にしていません。結局のところ、稲妻は地球と空の間の最短の道を探します。雷雨のときに平地や水面にいるのが危険なのはこのためです。

リーダーが地面に到達すると、敷設されたチャネルに電流が流れ始めます。この瞬間に、電流の強さとエネルギーの放出の急激な増加を伴う、主な稲妻の閃光が観察されます。ここでの関連する質問は、 雷はどこから来るのですか？興味深いことに、リーダーは雲から地面に広がりますが、私たちが見慣れている反対の明るいフラッシュは地面から雲に広がります。稲妻は天から地に来るのではなく、天と地の間で発生すると言ったほうが正しいでしょう。

なぜ雷が鳴るのですか？

雷は、イオン化チャネルの急速な膨張によって発生する衝撃波によって発生します。 なぜ私たちは最初に稲妻を見て、次に雷鳴を聞くのでしょうか?すべては音速 (340.29 m/s) と光速 (299,792,458 m/s) の違いに関係しています。雷鳴と稲光の間の秒数を数え、それに音速を掛けると、雷がどのくらいの距離で落ちたかを知ることができます。

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雷の種類と雷に関する事実

空と地の間に発生する稲妻は、最も一般的な稲妻ではありません。ほとんどの場合、雷は雲の間で発生し、脅威にはなりません。地上および雲内に発生する雷に加えて、内部で発生する雷もあります。上位層雰囲気。自然界にはどのような種類の雷がありますか?

雲内雷。
ボールライトニング;
「エルフ」;
ジェット機。
スプライト。

最後の 3 種類の雷は、特別な装置、高度40キロメートル以上で形成されるためです。

雷に関するいくつかの事実を次に示します。

地球上で記録された最長の雷の長さは、 321 km。この稲妻はオクラホマ州で目撃されました 2007年.
最長の雷が続いた 7,74 秒、アルプスで記録されました。
雷は上だけで発生するわけではありません地球。私たちは落雷について確かに知っています金星, 木星, 土星そして 天王星。土星の雷は地球の雷の何百万倍も強力です。
雷の電流の強さは数十万アンペアに達し、電圧は数十億ボルトに達することがあります。
雷チャンネルの温度は以下に達する可能性があります。 30000 摂氏は 6 太陽の表面温度の倍。

ボールライトニング

ボールライトニング - 別の種雷、その性質は依然として謎に包まれています。このような稲妻は、空中を移動するボールの形をした発光物体です。限られた証拠によると、球状の稲妻は予測不可能な軌道に沿って移動したり、小さなボルトに分裂したり、爆発したり、突然消えたりする可能性があります。ボールライトニングの起源については多くの仮説がありますが、どれも信頼できるとは言えません。事実 - ボールライトがどのように現れるのか誰も知りません。いくつかの仮説は、この現象の観察を幻覚に帰着させます。球雷はこれまで観測されたことがありません実験室の条件。すべての科学者は目撃者の証言に満足することができます。

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雷は強力な放電です。雲や地面が高度に帯電したときに発生します。したがって、雷放電は、雲の内部、隣接する帯電した雲の間、または帯電した雲と地面の間で発生する可能性があります。雷放電の前に、隣接する雲間、または雲と地面の間に電位差が発生します。

帯電、つまり電気的な性質の引力の形成は、日常の経験から誰もがよく知っています。

清潔で乾いた髪をプラスチックの櫛でとくと、髪が髪に引き寄せられ始め、さらには火花が出ることがあります。この後、櫛は他の小さな物体、例えば小さな紙片なども引き付けることができます。この現象はと呼ばれます 摩擦による帯電.

雲が帯電する原因は何ですか? 結局のところ、髪と櫛に静電気が発生したときに起こるように、それらは互いにこすれ合うことはありません。

雷雲というのは、大量の蒸気、その一部は小さな水滴または流氷の形で凝縮されます。雷雲の上部は高度 6 ～ 7 km にあり、下部は高度 0.5 ～ 1 km で地上に垂れ下がることがあります。 3～4kmを超えると雲は流氷で構成されます異なるサイズ気温は常に氷点下なので。これらの氷片は上昇流によって絶えず動いています。暖かい空気加熱された地球の表面から。小さな氷片は、大きな氷片よりも上昇気流によって簡単に流されます。したがって、「機敏な」小さな氷片が雲の上部に移動し、大きな氷片と常に衝突します。このような衝突のたびに帯電が発生します。この場合、大きな氷はマイナスに帯電し、小さな氷はプラスに帯電します。時間の経過とともに、プラスに帯電した小さな氷片は雲の上部に到達し、マイナスに帯電した大きな氷片は雲の底に到達します。つまり、雷雲の上部はプラスに帯電し、下部はマイナスに帯電します。

雲の電場は、約 100 万 V/m という巨大な強度を持っています。逆に帯電した大きな領域が互いに十分に近づくと、それらの間を走る一部の電子とイオンが輝くプラズマチャネルを形成し、そこを通って他の荷電粒子が後を追って突進します。このようにして雷放電が発生します。

この放電中に解放されます膨大なエネルギー- 最大 10 億 J。チャネル温度は 10,000 K に達し、雷放電中に観察される明るい光が生じます。雲はこれらのチャネルを通じて絶えず放出されており、私たちはこれらの大気現象が稲妻の形で外部に現れるのを見ます。

高温の媒体は爆発的に膨張し、雷として知覚される衝撃波を引き起こします。

私たち自身も、たとえ小型のものであっても、雷をシミュレートすることができます。実験は次の場所で実行する必要があります暗い部屋、そうでない場合は何も表示されません。長方形が2つ必要になりますバルーン。膨らませて結びましょう。次に、触れないようにしながら、同時に毛糸の布でこすります。それらを満たす空気は帯電しています。ボール間に最小限の隙間を残してボールを近づけると、火花が薄い空気層を通って一方から他方に飛び始め、光のフラッシュが発生します。同時に、かすかにパチパチという音、つまり雷雨中の雷のミニチュアの音が聞こえます。

稲妻を見た人は誰でも、それが明るく輝く直線ではなく、破線であることに気づきました。したがって、雷放電のための導電チャネルを形成するプロセスは、その「ステップリーダー」と呼ばれます。これらのそれぞれの「ステップ」は、光速に近い速度まで加速された電子が空気分子との衝突によって停止し、進行方向を変える場所です。

したがって、雷は、誘電体が空気で、極板が雲と地球であるコンデンサの故障です。このようなコンデンサの容量は約0.15μFと小さいですが、電圧が10億ボルトに達するため、エネルギー貯蔵量は膨大です。

通常、1 つの雷は複数の放電で構成され、それぞれの放電は 1 秒の数千万分の 1 秒しか続きません。

雷は積乱雲の中で最もよく発生します。雷は火山の噴火、竜巻、砂嵐の際にも発生します。

雷には形状や放電の方向によっていくつかの種類があります。放電は次の場合に発生する可能性があります。

雷雲と地面の間、
二つの雲の間
雲の中では、
雲を離れて晴れた空へ。

250 年前でさえ、有名なアメリカの科学者であり公人であるベンジャミンフランクリンは、雷が放電であることを確立しました。しかし、雷のすべての秘密を完全に明らかにすることはまだ不可能です。自然現象難しくて危険。

(雷の写真 20 枚 + スローモーションの雷のビデオ)

雲の中

雷雲を普通の雲と混同することはできません。その暗い鉛色が説明します厚い：そのような雲の下端は地上から1キロメートル以内の距離にぶら下がっていますが、上端は6〜7キロメートルの高さに達することがあります。

この雲の中で何が起こっているのでしょうか？雲を構成する水蒸気は凍って氷の結晶の形で存在します。加熱された地球から来る上昇気流は小さな氷の破片を上向きに運び、沈降する大きな氷と絶えず衝突させます。

ちなみに、冬には地球の温度が低くなり、この時期には強力な上昇流はほとんど形成されません。したがって、冬の雷雨は非常にまれに発生します。

衝突中、摩擦中に起こるのと同じように、氷片は帯電します。さまざまなアイテムたとえば、髪をとかすなどです。さらに、小さな氷片はプラスの電荷を帯び、大きな氷片はマイナスの電荷を帯びます。このため上部雷雲は正の電荷を帯び、下の方は負の電荷を帯びます。雲と地面の間、および雲の部分間の両方で、距離が 1 メートルごとに数十万ボルトの電位差が発生します。

雷の開発

雷の発生は、雲の中のある場所にイオン、つまり空気を構成する水分子やガスの濃度が増加した中心が現れ、そこから電子が奪われたり、電子が追加されたりするという事実から始まります。

いくつかの仮説によれば、このようなイオン化中心は加速によって得られます。電界自由電子は空気中に常に存在します。大量の、中性分子との衝突、中性分子はすぐにイオン化されます。

別の仮説によると、最初の衝撃は宇宙線によって引き起こされます。宇宙線は常に大気中に侵入し、空気分子をイオン化します。

イオン化したガスは電気の良導体であるため、イオン化した領域に電流が流れ始めます。さらに、通過する電流がイオン化領域を加熱し、より多くの高エネルギー粒子が発生し、近くの領域をイオン化します。雷のチャネルは非常に急速に広がります。

リーダーに続いて

実際には、雷の発生プロセスはいくつかの段階で発生します。まず、「リーダー」と呼ばれる導電性チャネルの先端が数十メートルの跳躍で移動し、そのたびに方向がわずかに変わります（これにより雷が曲がりくねります）。さらに、「リーダー」の前進速度は、ある瞬間には1秒間に5万キロメートルに達することもあります。

最終的に、「リーダー」は地面または雲の別の部分に到達しますが、これはまだ主要な段階ではありません更なる発展稲妻。厚さが数センチメートルに達することもあるイオン化チャネルが「破壊」されると、荷電粒子がわずか1秒間に最大10万キロメートルもの猛スピードでそこを駆け抜けます。これは稲妻そのものです。

チャネル内の電流は数百アンペア、数千アンペアであり、同時にチャネル内の温度は25,000度に達します。これが、雷がこれほど明るい閃光を発し、数十キロメートル先まで見える理由です。そして瞬間的な温度変化、数千度が気圧に激しい差を生み出し、それが広がります。音波- 雷。この段階は非常に短時間 (1000 分の 1 秒) 続きますが、放出されるエネルギーは膨大です。

最終段階

最終段階では、チャネル内の電荷移動の速度と強度は減少しますが、依然としてかなり大きいままです。この瞬間が最も危険です。最終段階はわずか 10 分の 1 秒 (またはそれ以下) しか続きません。地上の物体 (枯れた木など) に対するこのようなかなり長期にわたる影響は、火災や破壊につながることがよくあります。

さらに、原則として、問題は1回の放電に限定されません。新しい「リーダー」が人里離れた道に沿って移動し、同じ場所で繰り返し放電を引き起こし、その数は数十に達する可能性があります。

雷は人間が地球上に出現して以来人類に知られているという事実にもかかわらず、今日に至るまで、雷についてはまだ十分に研究されていません。

多くの人は恐ろしい自然現象、雷雨を恐れています。これは通常、太陽が暗い雲に覆われ、ひどい雷が鳴り響き、大雨が降っているときに起こります。

もちろん、雷は人を死に至らしめる可能性があるため、怖がるべきです。これは長い間知られていたことであり、それが彼らが考え出した理由です。さまざまな手段雷や雷から保護するため（金属柱など）。

上では何が起こっているのでしょうか?雷はどこから来るのでしょうか? そして、雷はどのようにして発生するのでしょうか？

嵐の雲

通常は巨大です。高さは数キロメートルに達します。これらの雷雲の中ですべてがどのように沸騰し沸騰しているかは視覚的には見えません。これは水滴を含む空気です。高速下から上へ、またはその逆に移動します。

この雲の最上部の温度はマイナス40度に達し、雲のこの部分に落ちた水滴は凍ります。

雷雲の発生源について

雷がどこから来るのか、稲妻がどのように発生するのかを学ぶ前に、雷雲がどのように形成されるかを簡単に説明しましょう。

これらの現象のほとんどは、地球の水面上ではなく、大陸上で発生します。さらに、雷雲は、（上空の空気とは対照的に）地表近くの空気が存在する熱帯緯度の大陸上に集中的に形成されます。水面）強力に温まり、立ち上がりが早くなります。

通常、標高の異なる斜面では同様の加熱された空気が形成され、空気が吸い込まれます。湿った空気広大な地域から地球の表面そしてそれを持ち上げます。

これが、先ほど説明した、いわゆる積雲が形成され、積乱雲に変化する仕組みです。

では、雷とは何か、どこから来るのかを明らかにしましょう。

稲妻と雷鳴

同じ凍った水滴から氷の破片が形成され、これも雲の中を高速で移動し、衝突し、崩壊し、電気を帯びます。軽くて小さい氷は上部に残り、大きい氷は溶けて下に下がり、再び水滴になります。

したがって、雷雲には 2 つの電荷が発生します。上はマイナス、下はプラスです。異なる電荷が出会うと、強力な電荷が生成され、雷が発生します。それがどこから来たのかが明らかになりました。次は何が起こる？稲妻が落ちると、周囲の空気が瞬時に加熱され、膨張します。後者は爆発が起こるほど高温になります。これは雷であり、地球上のすべての生き物を怖がらせます。

これらはすべて症状の現れであることがわかります。次の問題後者がどこから来たのか、そしてこれほど大量にあるのかについて。そしてそれはどこへ行くのでしょうか？

電離層

私たちは雷とは何か、そしてそれがどこから来るのかを知りました。ここで、地球の電荷を維持するプロセスについて少し説明します。

科学者たちは、地球の電荷は一般的に小さく、わずか 500,000 クーロン (約 2 クーロン) であることを発見しました。車のバッテリー）。それでは、雷によって地表近くに運ばれたマイナス電荷はどこに消えるのでしょうか?

通常、晴天時には地球はゆっくりと放電します（微弱な電流が電離層と地表の間で大気全体を常に流れています）。空気は絶縁体であると考えられていますが、少量のイオンが含まれているため、大気全体に電流が存在します。このおかげで、ゆっくりではありますが、マイナス電荷が地表から高地まで移動します。したがって、地球の総電荷量は常に変化しません。

今日、最も一般的な意見は、ボールライトニングは特別な種類ボールの形をした突撃で、非常に長い間存在し、予測できない軌道に沿って移動します。

現在、この現象の起源について単一の理論はありません。多くの仮説がありますが、これまで科学者の間で認められたものはありません。

目撃者が証言しているように、通常、雷雨や嵐のときに発生します。しかし、晴天時に発生するケースもあります。より多くの場合、それは通常の雷によって発生し、時には雲から現れて降下しますが、それほど頻繁ではありませんが、予期せず空中に現れたり、何らかの物体（柱、木）から出てくることさえあります。

いくつかの興味深い事実

私たちは雷と稲妻がどこから来るのかを知りました。ここで、上記の自然現象に関する興味深い事実について少し説明します。

1. 地球は毎年約 2,500 万回の稲妻を経験します。

2. ライトニングは平均の長さ約2.5km。大気圏に20kmに及ぶ放電もある。

3. 雷は同じ場所に二度落ちることはできないと信じられています。実際にはそうではありません。分析結果（by 地理的地図）過去数年間の落雷の場所は、雷が同じ場所に複数回落ちる可能性があることを示しています。

そこで私たちは、雷とは何か、そしてそれがどこから来るのかを調べました。

雷雨は、惑星規模の複雑な大気現象の結果として形成されます。

毎秒、約 50 回の稲妻が地球上で発生します。

稲妻

私たちは、電気は発電所でのみ生成されるものであり、簡単に手を突っ込めるほど希薄な水雲の繊維状の塊では決して生成されないと考えがちです。しかし、人間の体内にも電気があるのと同じように、雲にも電気があります。

電気の性質

雲や木から人体に至るまで、すべての体は原子でできています。すべての原子には、正に荷電した陽子と中性の中性子を含む原子核があります。例外は最も単純な原子水素、その原子核には中性子はなく、陽子が 1 つだけあります。

マイナスに帯電した電子は原子核の周りを回っています。プラスとマイナスの電荷は互いに引き合うため、甘いパイの周りをミツバチが囲むように、電子は原子核の周りを回転します。陽子と電子の間の引力は電磁力によるものです。したがって、電気は私たちが見ているどこにでも存在します。ご覧のとおり、それは原子にも含まれています。

で通常の状態各原子の正電荷と負電荷は互いにバランスを保っているため、原子で構成される物体は通常、正味の電荷を持たず、正も負も電荷を持ちません。その結果、他の物体と接触しても放電が発生しません。しかし、体内の電荷のバランスが崩れることがあります。寒い冬の日に家にいるときに、あなた自身もこれを経験するかもしれません。家はとても乾燥していて暑いです。あなたは裸足で足を引きずって宮殿内を歩き回ります。あなたは気づかないうちに、足の裏から出た電子の一部がカーペットの原子に転送されました。

雷はどのようにして現れるのでしょうか？

何が起こるかというと、暗くて巨大な雷雲の中で、強力な雷雲が起こるのです。気流、海塩の粒、塵など、さまざまな粒子を一緒に押し込みます。足の裏をカーペットにこすると電子が解放されるのと同じように、雲の中の粒子が衝突すると電子が解放され、他の粒子に飛び移ります。このようにして電荷の再分配が行われます。電子を失った一部の粒子は正の電荷を持ちますが、追加の電子を受け取った他の粒子は負の電荷を持ちます。