雷で電気を供給しますか?雷は、1 年に 9 日間だけ世界に十分な電力を供給します...

今日、電気は私たちの生活に欠かせないものとなっています。私たちが日常生活で使う電気のほとんどは発電所から供給されているということはご存知だと思いますが、ご存知ですか?私たちの頭上の青い空にも、膨大な量の電気エネルギーが蓄えられています。雷や稲妻が発生すると、私たちは必ずこのエネルギーによってもたらされる衝撃を感じます。

古代から人々は雷と稲妻に畏敬の念を抱いてきました。世界中の神話には、雷や稲妻を司る神々のイメージがあります。例えば、古代中国の神話では、雷公と典母が天と地の間の雷と稲妻の力を制御して悪人を罰します。

空の雷は家庭の電気と同じですか？

1752年、フランクリンは有名な凧の実験を行い、雷の秘密を解明しました。フランクリンは特別な凧を作りました。凧には金属線が固定されていました。凧糸として長いロープが金属線に接続されていました。ロープの下端に鍵が掛けられていました。嵐の日、フランクリンと彼の息子は凧を空に飛ばしました。

その瞬間、空に稲妻が光り、凧糸の繊維が一瞬で逆立った。フランクリンはとても幸せでした。彼は慎重に手で鍵に触れた。するとすぐに、指と鍵の間にパチパチと火花が飛び散った。

その後、彼は凧糸の電気をライデン瓶に導入し、急いで家に帰ってさまざまな電気の研究を行い、最終的に空の雷と家庭の電気は実際には同じであり、雷は特に強力な電気火花放電にすぎないことを明らかにしました。

有名な凧の実験を行っているフランクリン

その後、科学者たちは、地球自体が大量の負電荷を帯びており、地表から約50kmの高度までの電離層に同量の正電荷が分布し、垂直下向きの大気電場を形成していることを発見しました。

明るく開けた荒野では、地面からの垂直高度が 1 メートル高くなるごとに電位が約 130 ボルト増加します。つまり、大気の電界の強さは約 130V/m です。屋外に立つ大人の頭のてっぺんから足の裏まで、なんと200ボルト近くの電圧がかかっているそうです！

道路を歩いているときに電気ショックを感じないのはなぜですか?

まず、人が感電する理由は、人間の知覚を超えた電流が人体を通過するためです。人間の体は導体です。誤って家庭用の220ボルトの電気に触れると、回路要素としてループに接続され、感電事故を引き起こします。

晴れた日の大気の電界では、空気の導電性が非常に悪く、人体は常に静電平衡の状態にあります。つまり、頭のてっぺんから足の裏までの電圧は実際にはゼロに近く、身体にはほとんど電流が流れないので、感電を感じることはありません。

しかし、不幸にして雷に打たれてしまうと、瞬間的に人体を流れる大量の電流によって大きな被害が生じてしまいます。

科学者たちはまた、地面と電離層の間に約1800Aの地上宇宙電流があり、それが継続的に正電荷を地球に輸送していることを発見しました。理論的には、電離層の電気エネルギーは約 5 分で消費され、大気の電場は消滅します。

しかし実際には、晴れた日の大気の電場の値は非常に安定しており、これは電離層を充電する特定の「電源」が存在することを意味します。この特定の「電源」とは正確には何でしょうか?雷は実際には電離層を充電するエネルギー源です。平均して、世界中で毎秒約 100 回の落雷が発生します。雷電流は上から下へ負電荷を地球に運び、地球と電離層の間で充電と放電の動的なバランスを実現します。

従来の全球大気回路モデル

雷を制御できるでしょうか?

雷と日常の電気は同じものなので、世界中で毎秒100回以上の雷が発生しています。こんなにたくさんの雷を集めて、人間が使える電気に変換できたらどんなに素晴らしいことでしょう!

雷の分類

雷が発生する場所に基づいて、通常、対雲雷と対地雷の 2 つのカテゴリに分類されます。地面に落ちる雷は地上雷と呼ばれ、全雷の約1/3を占めます。一方、雲の中で発生する雷、つまり地面に落ちない雷は雲雷と呼ばれ、全雷の約2/3を占めます。

対地雷を中和電荷の極性で分類すると、雲中の負電荷を大地に伝える雷を負対地雷と呼び、電流方向は上向きで対地雷全体の約90％を占める。一方、雲中の正電荷を大地に伝える雷を正対地雷と呼び、電流方向は下向きで対地雷全体の約10％を占めるに過ぎない。

雷の発生場所の分類では、地面から発生し上向きに発達する雷は上向き雷と呼ばれ、一般的には稀であるが、雲から下向きに発生する雷は下向き雷と呼ばれる。したがって、地上閃光は、下向きの負の地上閃光、下向きの正の地上閃光、上向きの正の地上閃光、および上向きの負の地上閃光の 4 つのタイプに分類できます。最も一般的なものは、下向きの負の接地フラッシュです。

地上雷の4つの種類

雷はどのようにして発生するのでしょうか?

雷は一般に、激しい対流を伴う積乱雲の中で発生します。積乱雲の中で雹や氷晶などの粒子が衝突すると、雲の中で正電荷と負電荷が連続的に分離されます。これらが一定のレベルまで蓄積されると、空気を突き破り、雷のプロセスが始まります。

このとき、同じ突破地点から2つの「先遣隊」が同時に出撃し、反対方向に水路を延長します。 1 つの「先遣隊」は雲内の負に帯電した領域に向かって正電荷を運び、もう 1 つの「先遣隊」は雲内の正に帯電した領域に向かって負電荷を運び、雷の経路全体が開くまでこれを続けます。

それぞれの「先遣隊」は「先鋒隊」と呼ばれ、反対の電荷を帯びて同時に伸長する 2 つの「先遣隊」は「双方向先鋒隊」と呼ばれます。

下向きの負の地上雷を例にとると、負電荷の小集団が「先遣隊」として機能し、電界の誘導により、最も抵抗の少ない経路に沿って雲から地面まで移動し、雲から地面への雷の経路を開くという使命を担います。通過する経路に沿って空気がイオン化されてイオン化チャネルが形成され、その導電性が大幅に向上します。

しかし、この「先遣隊」も疲れてしまいます。 1マイクロ秒で数十メートルほどの距離を歩いた後、約50マイクロ秒停止してエネルギーを補給し、その後、前進して道を探索し続けます。このプロセスは階段を下りるようなものなので、「先導チーム」はステップリーダーと呼ばれます。時には「先遣隊」がいくつかのグループに分かれて、稲妻の枝のような形を形成することもあります。

「先遣隊」が地上数十～数百メートルの距離に到達すると、1人または複数の「受援隊」が地上から出撃して出迎え、連絡先開拓者と呼ばれる。 「先遣隊」と「援護隊」が合流に成功すると、雲と地面の間の雷路が完全に開き、地面は開いたばかりの雷路に向かって大量の正電荷を激しく放出した。このプロセスは反撃と呼ばれます。

戻りストロークのピーク電流強度は数万アンペアにも達します。戻りストロークエネルギーの急速な放出により、元のガイドチャネルが加熱され、温度は瞬時に 30,000K に達します。その結果生じる高温と高圧により、チャネルが急速に膨張し、衝撃波が発生し、雷が発生します。

先導雷撃と帰還雷撃のプロセスが雷のインパルス放電を構成します。一般的に、雷は複数のパルス放電で構成されます。最初のパルス放電の後、短い休止の後に 2 番目の放電プロセスが発生します。 2 番目の排出プロセスもリーダーから始まり、戻りストロークで終了します。

最初の放電プロセス後に雷の経路が確立されているため、2 番目のリーダーは段階的に下方向に探索するのではなく、雲から直接地面に到達します。このタイプのリーダーは、矢印リーダーまたはストレートリーダーと呼ばれます。ストレートリーダーによって誘導されるリターンアタックを後続リターンアタックと呼びます。

負の地対地雷の発達の模式図

雷の威力は、ピーク電流強度が数万アンペアに達する巨大な電流から生まれますが、その持続時間はわずか数十マイクロ秒と極めて短いです。

雷から得られる電力は約200～300kWhと推定されており、これは平均的な家庭の1か月分の電力を供給するのに十分な量です。世界中で毎年14億回の雷が発生しており、雲雷は収集できません。理論上、収集可能な 4 億回の地上落雷によって供給できる電気エネルギーの総量は約 1,000 億キロワット時です。統計によると、2023年の世界の総発電量は30兆kWhになる見込みです。雷によって供給される電気は、世界中で 9 日間しか使用できません。この観点から見ると、雷によって生成される電気はほんのわずかな量にすぎません。

さらに、落雷の位置を正確に予測することはできないため、自然の雷を捉えることは困難です。また、雷から発生する数百万ボルトの高電圧電気を220ボルトまで下げて電力網に接続することも極めて困難な作業であり、現在の技術では実現できません。したがって、雷を捕らえて人類に電気を供給するというのは単なる空想に過ぎません。

雷のメリット

現時点では雷を捉えることはできませんが、雷は自然界で非常に重要な役割を果たしています。雷が発生すると、空気中の窒素と酸素が完全にイオン化されて結合し、窒素酸化物が形成され、それが雨水に溶けて地面に落ち、天然の窒素肥料になります。雷によって生成される高濃度のマイナス酸素イオンは空気を殺菌・浄化し、人々にリラックス感と爽快感を与えます。さらに、雷は生物の成長を促進することもあります。

現在でも、雷に関しては解明されていない謎が数多く残っており、科学者たちは雷に関する研究を決してやめていません。

著者: 張俊超、航空宇宙新気象技術有限公司

戴雲偉、中国気象局気象映画テレビセンター

編集者: 董暁賢