「青天の霹靂」の秘密を解明：雷はいかにして「長距離狙撃兵」に変身するのか？

空は晴れているが、突然、目に見えない暗殺者のように稲妻が地面を襲う。いわゆる「青天の霹靂」です。通常の雷は、渦巻く雷雲の下で地面を襲うことが多いですが、青天の霹靂は、頭上に雲も降水もない地域で、予告なしに地面を襲います。その予測不可能性は人々の生命と財産に深刻な脅威をもたらします。では、サンダーボルトと呼ばれるこの「長距離スナイパー」はどのようにして誕生したのでしょうか?

最近、中国科学院大気物理研究所の謝秀樹研究員とそのチームは、青空からの稲妻の謎の原因を明らかにした画期的な研究をサイエンス・ブレティンに発表した。研究チームは、放電プロセスとチャネルを高精度に解析できる独自開発の雷超高周波干渉計を使用し、青海チベット高原で突然発生した2本の稲妻を検出した。無線周波数ダイナミックポジショニング画像化の結果、雷雲から始まり、雷雲を離れた後、数キロメートルにわたって水平に伝播し、その後地面に向かって成長して地面に落ちる稲妻の全体像が明確に示されました（図1）。

図1 左: 雷雲のレーダーエコープロファイル。右: 3 回の負の地上雷の放射源の位置結果と、雷雲の推定電荷構造。負の地上閃光 1 は通常の雷であり、負の地上閃光 2 と 3 は青空から発生した 2 つの雷でした。それぞれの発生場所は、降水域の端からそれぞれ3.6kmと3.8km離れた場所であった。

特定の力学的および微物理的条件下では、雷雲内で氷と水が共存する混合相領域で、異なるサイズの氷相水粒子（主に霰と氷結晶）間の弾性衝突後に電荷移動が発生します。気流と重力の作用により、異なる極性の電荷を帯びた大小の氷相粒子が肉眼的に分離され、雷雲内の異なる領域に正電荷と負電荷が集中しているように見えます。これが雷の発生の前提条件です。研究チームは、雷の経路発達の物理的特性の違いに基づいて雷雲の電荷分布を分析する方法を開発した。これを基に、青空から雷を発生させる高原雷雲の電荷構造の進化的特徴を明らかにした。発達の初期段階では、まず雲の中に「上がマイナス、下がプラス」の負の双極電荷構造が形成されます。成熟段階では、上部の正電荷領域がさらに発達し、「正-負-正」の三極電荷構造に進化します。雷放電は雲の上の正双極子の正電荷領域と負電荷領域の間から始まり、双方向リーダーの形で反対極性の電荷領域に発展します。負極性のチャネルは上向きに「突破」し、雲の上の正電荷層を突破した後、雷チャネルは水平に「方向転換」して雲体から飛び出し、晴天の中を数キロメートル潜行してから方向転換して地面に直接衝突します。

図2 青海チベット高原の雷雲における電荷構造の変化を示す模式図。突然の雷雨が発生したときの様子。

「これまでは、電場の変化を測定することによってのみ、雷雲内の雷の電荷構造とマクロな特徴を推測することができました。現在、私たちが独自に開発した雷超高周波干渉計により、マイクロ秒、さらにはナノ秒の時間分解能で雷のプロセスと放電経路を正確に区別することができます。これにより、雷の発達と伝達特性、およびそれに伴う雷雨の電荷構造の進化を研究することができ、雷のプロセスとメカニズムに対する理解を深める重要な手段を提供します」と謝秀樹研究員は述べています。研究チームは気象レーダーのエコーと探査データを組み合わせて、雲の上部の正電荷領域にある不均衡な電気双極子が下部の負電荷領域よりも弱く、雷雲のセルのサイズが小さいことが2つの青雷の主な原因であることを発見した。

「実は、青雷は高原だけでなく、低地でも発生します。青雷は雷雲から数キロ、場合によっては十数キロ離れたところで発生することもあります。青雷が発生するときは頭上に雨が降っていないことが多いため、人命や財産に危害を与えるほか、落雷の熱効果で山火事や森林火災などを引き起こし、地球の生態系や大気環境に重大な影響を及ぼす可能性があります。気候温暖化の文脈では、青雷は注目に値します。」謝秀樹研究員はさらに、「晴れているのに視界に暗い雲が現れたり、はっきりと雷鳴が聞こえたりしたときは、突然の雷雨を避けるために、高台や木々などの危険な場所からできるだけ早く離れるよう、国民に呼びかけたい」と述べた。

[Xiushu Qie 氏は、中国科学院大気物理研究所の研究員であり、中国国家自然科学基金優秀若手科学者基金の受賞者、国際大気電気委員会の委員長、米国 AGU 研究員です。主に大気電気とメソスケール気象に関する研究に従事。彼は4冊の本と300以上の論文を出版しています。彼は国家「863 プログラム」の元専門家であり、国家「973 プログラム」の主任科学者でした。彼女は、中国青年科学技術賞、国家三八紅旗手、中国トップ 10 女性の 1 人、中国科学院優秀指導者賞を受賞しています。彼女は、トップランナーとして、省および省庁の科学技術賞で第1位と第2位を3回受賞しました。彼は、JGR: Atmospheres の専門編集長、Atmospheric Research の副編集長、Atmospheric Sc​​ience、AAS、JMR、EPP など多くの国内の中国語および英語のジャーナルの副編集長または編集委員を務めています。 】

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