雷がどのように発生し、なぜ落ちてくるのか、原理をご存知でしょうか。雷は日常生活においてもそれほど珍しい現象ではなく、ほとんどの人は実際に見たりその音を聞いたりしたことがあるかと思います。しかしその発生原理や音の出る仕組み、光る仕組みまではあまり知られていません。
ここでは雷の原理について解説し、海に雷が落ちるのかどうか、そして落ちた場合にはどうなるのか、といったことにも言及していきます。
雷が発生するのはなぜ？
雷が発生するのはなぜなのか、実のところ雷の発生原理について完全には解明されていません。まだまだ分かっていないことも多く、時代を追って主流となる仮説も変わってきました。そして現代では「着氷電荷分離機構」によって雷が発生しているという説が有力とされています。なにやら難しそうな名前をしていますが、簡単に説明すると「雲の中で氷がこすれ合うことで電気（雷のもと）がたまる」ということになります。
順に説明していきましょう。
まず氷の発生についてですが、前提知識として雲は高い位置にあり、そこでは地上に比べて気温がかなり低いということは押さえておきましょう。積乱雲のようにとても背の高い雲だと雲頂はマイナス50℃にまで下がっています。夏場であっても積乱雲の中は氷点下となっている部分が多くを占めており、上昇気流によって湿気が補給され続けるため氷を作る環境は整っていると言えます。暖かく湿った空気は上空へ持ち上げられて冷却、徐々に飽和し、そして水滴が出てきます。これがさらに冷やされることで氷（氷晶）へと変化していきます。
次に電気の発生についてですが、積乱雲の上昇気流によって上空へと運ばれた水分は冷やされて氷晶へと変化、そして上空へ上昇しながら霰（あられ）にまで成長します。しかし霰となり大きく成長した氷は上昇気流でも支えきれなくなり落下、その落下の最中で上昇してくる成長途中の氷晶と接触が起こります。
ここで少し電気について説明しておきましょう。
ざっくりとした表現をすると、電気にはプラスとマイナスという性質があります。電池にプラスとマイナスがあるイメージです。基本的にはどちらにも偏らない中和状態になろうとするのが自然界の理ですが、物質や環境によって帯電のしやすさは異なり、プラスになりやすいものとマイナスになりやすいものとが存在します。
落下する霰は上昇してくる氷晶のマイナス要素を取り入れ、逆に上昇する氷晶はプラスの要素が強くなります。すると積乱雲の電気的性質は上層でプラス、下層でマイナスという状態に変化してきます。つまり電気が流れやすい状態になるということです。
出典：フランクリン･ジャパン（https://www.franklinjapan.jp/）
雲の中で電気が発生すると言いましたが実際にはこのように、電気的な性質が積乱雲内で偏った状態が発生するということです。そのため雷が発生する前にはどこからか電気を補給されるといったことは起こらず、あくまで電気が流れやすい状態が出来上がるにすぎないのです。そしてその結果流れる電気こそが雷を形成しているのです。
雷の音・光の仕組み
大雨の日、突然ピカッと光り、大きな音が響き渡るのを聞いたことがあるかと思います。雷が発生では音と光を伴います。これはどのような原理で起こっているのでしょうか。
まず音の発生についてですが、これは雷によって局所的に温められた空気が瞬間的に膨張することが原因です。そもそも空気中はいくらでも自由に電気が流れる環境ではありません。電気抵抗を持っていますが、雷は強い力でこれを無理やり進んでいくのです。
そして抵抗を受けながら電気が流れるとそれだけエネルギーを消費して熱を発生します。雷が通過した空気はこの熱で温められて膨張、しかもかなり大きな電流が局所的に短い時間で流れるため数万℃にも達することになります。瞬間的に膨張した空気は周囲の空気を圧縮、振動を起こすことで衝撃波を発生します。これが雷の音の正体なのです。
次に雷の光についてです。これにも音の発生と共通する過程があります。大容量の電流が一瞬にして流れることで空気が加熱、衝撃波を生む一方で、加熱された空気は「熱放射」を起こし、そして光を放つのです。熱放射とは温度を持つ物体が電磁波を放出することであり、高温の物体からは可視光も発せられます。
これは電球と同じ原理です。白熱電球はフィラメントと呼ばれる抵抗体に電気を流すことで加熱され、高温になったフィラメントは可視光を電磁波として放出しています。このフィラメントを空気に置き換えて同じ現象を起こしたのが雷による発光です。ただし発光強度は電球の比べものにはならず、雷の場合は宇宙空間からでも確認できるほど強く光ります。
雷が落ちる仕組み
雷は積乱雲内の電気的性質の偏りが関係していると説明しました。そしてこの偏りが生じている状態のとき、積乱雲と地表との間にも偏りが生じています。これを電気が蓄えられている状態と言い換えることもできます。
積乱雲が活発である間はどんどんと電気が蓄えられ、いずれは蓄えきれなくなり電気を放出します。これが地表に落ちることを「落雷」と呼んでいます。空気の持つ絶縁抵抗値では抵抗しきれないほど電気的なバランスが崩れた結果、空気中を裂くように電流が流れるのです。こうして電流が流れることでプラスとマイナスにそれぞれ偏っていたものが中和され、再び臨界点に達するまで電気が蓄えられていきます。
雷はプラスとマイナスに偏った状態を直すために流れるという背景がある以上、地表だけに雷が落ちる必要はありません。実際、雲の内部でも放電は起こっています。このように雷は必ずしも「落ちる」必要はなく、雲と地表とのやり取りであっても地表から雲に向かって雷が登るように発生することもあります。また、雲頂からさらに上空に向かって雷が起こるという現象も確認されています。
雷は海にも落ちる？
さて、結局のところ多くの人の関心は雷による害の有無だと思います。例えば海にいる場合雷が脅威となるのかどうか、そもそも海にも雷は落ちるのかという疑問は持たれているかもしれません。
基本的に雷が落ちやすい場所、落ちにくい場所というものはありますがどこも完全な予測はできません。海自体は本来それほど落雷確率の高い場所ではありません。これは高い建物がないのもひとつの要因です。材質も当然関係してきますが、避雷針が上空に伸びるように高く作られているのはそうすることで雷を誘引しやすいからです。衛生から観測した雷の発生分布を見てみても陸地で多く発生していることが分かります。
出典：日本物理学会誌（https://www.jps.or.jp/books/gakkaishi/2016/04/71-04mijika.pdf）
しかし注意したいのは、海上にいれば落雷の危険がないということではなく、そこに人がいることで避雷針のように雷が落ちてくる可能性があるということです。
実際、海に雷は落ちます。そして人の真上に落ちなかったとしても危険な場合があります。例えばサーフィン中、近くに落雷があれば感電して溺れてしまうということは十分にあり得ることです。雷が海面に落ちると電気は急速に拡散され10メートルほど離れていると人体にそれほど影響はないと考えられていますが、どこに落ちてくるか分からない以上安心はできません。
遠くから雷鳴が聞こえだしたときにはすぐに屋内へ避難することが望ましでしょう。ちなみに日本の場合は夏に全国的に落雷が多く、冬は絶対数は少ないものの日本海側で比較的多くの落雷が起こるという特徴があります。夏は夕方に集中して起こりますが冬の日本海側の落雷は時間帯に関係なく起こるということに注意しましょう。
まとめ
雷は積乱雲の中で発生した氷同士の接触が原因で発生します。発達した積乱雲はすでに蓄えきれないほどの電気を抱えている可能性があり、海の上であったとしても落ちてくることはあります。真上に落ちてきた場合や落下地点から数メートル以内であれば死亡事故に繋がる可能性が高いです。
そのため落雷が予想される場合には海に行かないようにしましょう。突然の雷雨に見舞われたときには背を低く構えて屋内に避難すると良いでしょう。
