雷雲の発生別分類および雷撃の種類のメカニズム

A.雷雲の発生別分類

雷雲は上方に冷たい密度の高い空気が存在し、下方に暖かい温度の高い空気が存在するような場合に発生します。下方にある暖かい空気は強い上昇気流となって上昇して雲（例えば積乱雲）となり、上方の冷たい空気は下降します。このような大気条件は暖かい大気層の上方に冷たい空気（例えば寒冷前線）が侵入した場合や、太陽に強く熱せられて地表面付近の空気の温度が著しく上昇した場合に発生します。

1.熱雷
強い日射しにより地表面が急激に熱せられて、大気の状態が不安定になるため生じる上昇気流が原因で発生します。夏期にも発生することが多く、最も代表的な雷で発生回数も多いです。
2.界雷（前線雷）
寒冷前線または温暖前線が通過する時に発生します。年間を通じて発生することが特徴であり、時間を問わず真夜中でも明け方でも発生します。
3.熱的界雷
熱雷と界雷が一緒に発生することがあり、これを熱的界雷といいます。日射により地表面が急激に熱せられ、上昇気流が起こり熱雷が発生しそうなところへ寒冷前線が接近して、冷たい空気が暖気を上空へ押し上げると、上昇気流が一層激しくなり、強い雷雨現象となります。
4.渦雷
低気圧中に発生する雷で、特に低気圧の南側・南東側に起こりやすくなります。低気圧と共に雷発生箇所が移動するので、移動速度も早く、場合によっては日本全土を覆うように雷が発生することもあります。
5.火山雷
火山の噴火によってはるか上空に噴出された細かい岩石がこすれ合って電気を帯びると雷になります。火山のある地域のみに起こり、また噴火の時だけであるので限られた雷と言えます。

B.雷撃の種類

1.直撃雷
一般にいう「落雷」で雷放電に基づく電流の大部分が物件を通過するので最も大きな被害を受けます。
◎人体・家畜に落雷すると死亡します。
◎建築物・諸設備などに落雷すると瞬間的な高温電磁力による機械的破壊を生じます。
◎木造家屋などに落雷すると発火し火事の原因となります。
◎可燃性液体・気体などに引火します。
◎電気工作物の絶縁破壊などの被害が発生します。


2.側撃雷
雷の主放電路から分岐した放電路が物件を通る場合及び高い樹木などに落雷し、付近の物件に再放電する場合を言います。落雷の被害度としては直撃雷よりも小さくなります。


3.誘導雷
落雷または雲間放電によって雲底の電荷が急に中和消滅すると、物件に誘導されていた電荷も直ちに大地に向かって流出しなければなりません。この場合、物件がよく接地されていないと、物件の電位が瞬時に大地より高くなり、物件と大地間に放電を生ずることがあります。確率としては直撃雷より度数が多いが、被害度としては小さくなります。


4.侵入雷
送電線・配電線に落雷した場合、雷電流が導体上を進行して物件（受電している建物等）に到達し、物件の内部で大地に向かって放電する場合をいいます。比較的遠くに落雷しても、人家・工場などでは被害を受けることが多くなります。



C.雷撃のメカニズム

雷雲中における電荷の蓄積に伴い、雲内の電界強度が次第に増大し、空気の絶縁破壊強度以上に達すれば、正負電荷間で火花放電が発生し、いわゆる雲間放電が起きます。また、雷電内の電荷の蓄積に伴って、その直下の地表面には雲底の電荷と逆極性の電荷が誘起されますので、電雲と地表面の間の電界強度が増大し、大気の絶縁耐力を越えれば、両者の間に火花放電が発生し、対地雷撃（落雷）が起こります。

◎ボイスカメラ（高速回転カメラ）による対地雷撃の過程

図Aはボイスカメラによるもので、時間は左から右へと経過しています（時間の単位は1/1000秒＝msec）
図Bはこれを静止カメラで撮影したものです。
図Aより説明しますと各雷撃はまず雲から光の弱い先駆放電（ステップリーダ）が出発し、それが大地に向かって進展し、その先端が大地に接近した時、大地側から上向きのストリーマが出発し、両者が結合した瞬間、大地から多量の電荷が先駆放電路に注入され、主雷撃（落雷）となります。

ステップリーダは50M程度進展すると約50μs休止するするという過程を繰り返しながら次第に大地に接近します。雲と大地間のステップリーダの平均進展速度は、約150km/sです。従って進展距離が3kmあれば、約20msを要します。
以上のようにして、ステップリーダが大地に接近すれば、リーダ上の電荷によって地上の電界は上昇し、大地側の色々な点からリーダの先端と結合すると、リーダの先端付近は実効的に大地電位に接続され、その上部の先駆放電路は、負電位で負に荷電されています。先駆放電路は、光の強い主雷撃（帰還雷撃リターンストローク）を通す通路となります。
リターンストロークの波頭（高電界強度のイオン化された先端）はステップリーダによって開拓された放電路を上昇するリターンストロークの波頭と大地の間には大電流が流れ、先駆放電路上に分布した負電荷は、リターンストロークの下方の高導電性放電路を通して、実効的に大地方向に下降します。以上で1回の雷撃は終了しますが、さらに雲中において先の放電路の頂上に電荷が供給されれば引き続いて第2の雷撃が発生します。このように複数回連続して生じる雷撃を多重雷撃と称します。
全雷撃の約50％は多重雷撃で、そのうち2〜4回のものが大部分であり、中には26回も繰り返すものもあります。以上のものは、リーダが雲から出発した場合であり、一般大地への雷撃では、このようなタイプのものが大部分を占めていますが、例えば東京タワーや山頂の鉄塔などでは、それらの先端から雲に向かってリーダが伸びることもあります。大まかですが、雷雲が負極性であるものが約90％を占めていて、大地側が負極性であるものは約10％と言われています。
以上、雷放電特性の概要について記しましたが、特に重要なものは雷撃電流の波高値、多重雷撃のストローク数、一雷放電の継続時間などを充分考慮して、有効にして適正な避雷設備を被保護物に設置し、雷災害を防止または最小限度に止めるよう設計しなくてはならないでしょう。

落雷の電気的特質

1.雷の電圧はどのくらいでしょうか？

この質問に答える裏付けとしての理論、実測データは見当たりません。いくつかの書物には1億Vないし10億Vという数値が出されていますが、その根拠は判然としません。一般に実験室で行なわれる球ギャップの放電電圧は1cmあたり30kVですが、先端がとがった電極間の放電電圧は、この価の1／2とか1／3と言われています。地表面に落ちた雷の電圧を測定したデータはかなりあります。特に電力系統とか、電力機器の絶縁強度をどう決めるかは、雷電圧の脅威から逃れる意味からも重要なので、実測が行なわれています。これによると数100万V以上であることは分かっています。
地表面での実測による雷電圧とは、落雷対称物に雷撃電流が流れて、その結果、落雷地点に発生する電圧とみるべきで、本当の雷電圧とは言い難いものです。

2.雷撃電流の大きさはどのくらいでしょうか？

落雷によって大きな被害をもたらすのは、雷撃電流によるものです。雷撃電流の代表的波形は、図Cのようなものです。電流の波高値としては、大きいもので150kA、普通のもので20kA程度のものが多いです。また、雷撃電流の継続時間は長いもので100μsぐらいです。


3.電気量はどのくらいでしょうか？

電流と継続時間の積ですから、概算で150×10の3乗×100×10の-6乗＝15C（クーロン）となる。普通1回の雷撃による電気量は0.2Cから20Cと言われています。
4.落雷時の電力と電力量はどのくらいでしょうか？
落雷点の電圧を多めに見積って1000万Vとしましょう。すると電力＝電圧×電流ですから、1000×10の4乗×150×10の3乗＝1.5×10の12乗W（ワット）実に15億kWとなります。ものすごい電力になります。次に電力量を計算してみますと、電力と継続時間の積を1時間（3600秒）で除すれば、1.5×10の12乗×100×10の(-6乗)/3600＝41.7×10の3乗Wh即ち、42kWhです。継続時間が長いために、電力量に直しますと、それ程大きな値ではないように思えます。しかし、これは1回の落雷による電力量なので、何回も落雷を起こす量を計算していくと、相当な電力量となるわけです。