雷発生の仕組みとは？正極性落雷と負極性落雷について理解しよう

質問

• 雷発生の仕組みについて知りたいです。負極性落雷と正極性落雷の違いを理解したいと思います。負極性落雷では、雷の負電荷が地表に移動する仕組みです。正極性落雷では、正電荷が地表に移動する仕組みです。
• 正極性落雷の正体について分かりません。陽子やアルファ粒子ではないので、正極性落雷が起こる原因を知りたいです。
• 正極性落雷が地表に正電荷が移動する仕組みについて理解したいです。エネルギーの移動する方向が逆になるため、正電荷が地表に移動すると「落雷」となります。納得いく解説を教えてください。

回答No.4

ESE_SE

恐らくホールです。

以下は現在の一般的な解釈です。文中に出す数字は具体的な単位のある数字ではなく概念的な数字だと思ってください。

まず上昇気流により雲の中に霰が発生。上昇気流に乗る細かい霰と、気流に乗り切れなくなった大きな霰が衝突、静電気が発生します。
気流により負に帯電した霰が雲の下端に、正に帯電した霰が雲の上端に移動します。
この時点での雲の下端の帯電を -100 とします。

同時刻、地上では電荷の移動が起こっていませんから帯電は 0 です。
しかし雲と地表との間には100の電位差が発生しています。
これが空気による絶縁の限界を超えたとき、絶縁崩壊による放電＝落雷が発生します。
落雷とはこの放電現象のことであり、「落ちているか上っているか」の差はありません。
この絶縁崩壊により局地的に電位差は解消されます。
つまり雲の電位が -50 に、地表の電位も -50 になります。
ただし地表は電気的に連結されている周囲の土壌があるので、マイナス電位はすぐに拡散してほぼゼロになります。
この時点から継続して雲の中での静電気が蓄積、再び絶縁の限界に達すればまた落雷が発生します。

質問者様の頭の中では「落雷＝何かが落ちてくる」という発想が消えないのでしょう。
負極性落雷が発生した場合、
絶縁崩壊→雷雲の下端のイオンが地上方向の手近な分子に電子を飛ばす
→電子を受け取った分子がさらに地上方向の手近な分子に電子を飛ばす
→・・・
という受け渡しが継続的に発生し、受け渡しの手順が地上に達するのが俗に言う「地面に雷が落ちる瞬間」です。

逆の正極性落雷も、上記のものの正負を入れ替えれば同じことです。
ただ電子を地上へ向かって飛ばすのではなく、
絶縁崩壊→雷雲の下端のイオンが地上方向の手近な分子から電子を奪い取る→電子を奪われた電子がさらに地所方向の手近な分子から電子を奪い取る→・・・
という受け渡しが継続的に地上まで発生します。
遠目に見ると「電子の無い空間が移動しているように見える」ことから「ホール」と呼ばれ、半導体などでは一般的な考え方です。
（落雷の研究でホールと言う言葉は使われていないと思いますが）

模式的に表すならば、そろばんの四つ玉をイメージしてください。
１ずつ玉を上に弾いていくと、「玉の無い空間」はひとつずつ下へ降りていくように見えます。
玉を分子の最外殻の電子、空間をホールと考えればこれがホールの移動の要領です。

書き上げて読み直したところ他の回答者様の再編集にしかなっていませんが・・・恐らくこれは質問者様が「日本語から現象への直訳」と「物理的な現象」のギャップを呑み込まないと解消できないところでしょうね。

お礼

放電の説明はありがたいのですが・・・。
半導体の動作原理で使われるホールを導入されても混乱するだけです。
放電は電位差が発生したき、それを中和しようとして電荷が雪崩的に移動することですからあまり問題ではないのです。

>逆の正極性落雷も、上記のものの正負を入れ替えれば同じことです。

ここが正負逆になっただけだとなのでしょうか？
発生確率が異なる以上、もっと違う何かがあると思うのですが。