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落雷とは?

この記事には独自研究が含まれているおそれがあります。問題箇所を検証し出典を追加して、記事の改善にご協力ください。議論はノートを参照してください。(2018年8月)
エッフェル塔への落雷(1902年)

落雷(らくらい)とは、帯電した積乱雲などと、主に地上物の間に発生する放電で、自然現象又は自然災害であるの代表的な形態である。

概要

落雷とは、地面や水面など、もしくは空中にある物体に雷の放電を被ることである。結果、被害が発生した場合、一般には災害(天災)と認識される。時にこれは深刻、甚大なものとなり、死亡あるいは建物火災等の原因となる。

落雷時の電圧は200万~10億ボルト電流は1千~20万、時に50万アンペアにも達する。この高電圧と大電流が人を死傷させ、この大電流によってもたらされる、プラズマが発生するほどの(ジュール熱)が建物などに被害を発生させる主因である。また、この大電流そのもの、もしくはこの大電流により発生する強烈な電磁界、蓄積された電荷による電気・機械・通信設備や装置などの損傷、さらにこれらの損傷により生じた二次的な被害等も落雷による被害とされる。

なお落雷の電力電源として利用することは現在の技術では可能とはなっていない。過去に北朝鮮などで試みられているが全て失敗している。デンキウナギの起電力を活用出来ないのと同じで、エネルギーは大きいものの、それがあまりに短時間に集中するため、二次電池コンデンサ蓄電させることができないためである。

ただし、雷を利用せずに大気中の静電エネルギーを回収することは可能である。

詳細は「大気電流発電」を参照

地球上では毎秒約100回、毎日約860万回もの落雷が起こっていると推定されている。わかっている範囲で、日本では年平均約20人、世界では約千人が落雷による直接被害に遭い、世界平均で被害者の約30%が死亡している。

落雷の生じ方

詳細は「」を参照
CNタワーへの落雷(2008年)

落雷とは、の中の氷の粒が雲中の対流等により衝突、摩擦を生じ、それによって静電気同様に帯電、溜まった電荷がその状態解消のため、地面・水面及び地上物等に対して電荷の放出=放電を生じるものである。なお雲の中や他の雲との間で放電が生じるものは「雲放電」や「雲中放電」「雲間放電」と呼ばれる。

空気の絶縁を破壊、放電が生じる程に電荷が蓄積するには雲中の対流運動等の激しさが条件になるため、積乱雲の直下や温暖前線寒冷前線の通過時に落雷が発生する。特に黒く見える雲は、その密度と厚さが大きく、かつ活発であることが多いため、落雷の危険性を予見できる。

諺「青天(晴天)の霹靂」の霹靂とは落雷のことであるが、こういった予見が出来るからこそ、逆に前触れの無い突拍子も無い事の例えになったと言える。

落雷時、稲妻は少し進んでは暫し停止、それから再び少し進むことを繰り返す。つまり「ステップを踏む」ように進むことから稲妻は複雑な曲線を描く。マンガ表現に限らず「雷文」と呼ばれる文様(モチーフ)でも、雷の表現として直線と急激に折れ曲がった角が連続したギザギザの、いわゆる「稲妻型」が見られるが、このような形の稲妻は実際には存在しない。なお稲妻が1回に進む距離をステップ長といい、約20-50mほどである。

そして稲妻が地面や木などに落雷する直前の停止位置に達すると、落雷場所の地面や木などから、上昇リーダーと呼ばれる迎え放電が発生、これが結合して落雷となる。稲妻の最終ステップ長と、上昇リーダー長の和を雷撃距離と呼ぶ。雷撃距離はおよそ20-200mである。

よく雷は「周囲で最も高いものに落ちる」といわれるが、実際には落雷直前の稲妻停止位置を中心とし、雷撃距離を半径とする球内にある最も近いところに落ちる。高いものに落ちる確率が高いのは、稲妻の最終停止位置と高いものとの距離が、雷撃距離以内になる確率が高いためである。 これは落雷電流が最も導電しやすい経路に集中することに関係する。

このことから、高いものの近傍に落雷する確率は低くなる。しかし実際の雷雲の電荷蓄積範囲は広く、その防護範囲、すなわち落雷の起きない範囲はさほどには大きくならない。また電荷蓄積範囲は雷雲の広がりよりも広くなるため、落雷は雷雲下のみならず、雷雲の周辺までも含め、広範囲に不規則に発生する性質がある。

落雷による被害

事故の一覧#落雷事故」も参照
落雷で折れ、幹が裂けた木
莫大な熱で幹の内部の水分が一瞬で水蒸気となり、内部から破裂する

落雷の被害は、雷電流によってもたらされる。電流発生メカニズムの違いによって、直撃雷、誘導雷によるものに大別される。電流の大きな直撃雷のほうが、より深刻と考えられがちであるが、実際には人、物ともにどちらでも深刻な被害が発生し、ケースバイケースである。分類は落雷被害防止対策上、必要なものになる。

直撃雷
雷雲から物体に直接放電が生じ、雷電流(直撃電流)が流れるもの。直撃を受けた物体の近傍にある別の物体に再放電を生じて電流が流れた場合、これをさらに側撃雷という。
誘導雷
直撃電流の電磁誘導作用によって誘導電流が流れるもの、また雷雲に蓄積された電荷変動によって、地面側に蓄積されていた逆電荷が電流になるものをいう。

人的被害

主に感電である。インドにおける落雷による死亡者数は2017年に2885人、2018年に2357人が記録されている。また、アメリカ合衆国の死亡者数は2019年に20人が記録されている。日本では、1994年-2003年の統計(警察白書)によると、年平均被害者数は20人、うち死亡者数は13.8人であり、被害者の70%が死亡している。

物的被害

2002年時点で、日本での年間被害総額は1000億円から2000億円と推定されている。ちょっとした機器の故障から火災まで多様、数多く発生し、詳しくは把握されていないが、損保ジャパンのデータによると、年間の被害件数は2万件を超える。

電気設備等の被害
雷サージによる。
送変電施設などへの落雷による停電、通信施設などへの落雷による通信ダウンなどがある。施設被害に加え、停電、通信サービスの停止による収入減などの間接被害が発生する。
家電製品などの損傷がある。ときにこれは修理不能になるほどのダメージを受けることがある。特にパソコンなどの電子機器は雷の影響を受けやすい。直接の被害のみならず、電気機器を使用できなくなったことによる間接被害が発生する。
特に一般家庭などの場合、適切な雷対策がなされていない場合、例えばブレーカがあっても、ブレーカそのものが雷サージに耐え切れず、火災に至ることがある。JIS、JEC等によりブレーカのサージ耐力基準が定められてはいるが、技術的限界より、単体として雷サージに完全に耐えられるものとはされていない。
交通機関でも、信号機・踏切などの安全運行上重要な設備に落雷して故障し、ダイヤの乱れを引き起こすことが多い。
建物被害
避雷対策のなされていない建物などに直撃雷を受けると火災になることがある。建物に直接ではなくその近傍に落雷しても、屋根、壁、窓ガラスなどが破損することがある。その結果、二次的に怪我などの人的被害を招くことがある。
石などの割れ目にたまった水や木材などが電路となり、雷電流によるジュール熱で内部の水が水蒸気爆発を起こし、割れる・裂けるなどを起こすことがあり、木材やゴムなどの可燃物があれば火災に至ることがある。
日本の歴史上の大型建築物には、唐招提寺五重塔東大寺七重塔など落雷による火災で焼失したものも多い。
その他
生きている木でも、乾燥した天気が続いた場合は内部の水分が少なくなり、落雷により発火することがある。周囲にも木がある場合、大規模な山火事などともなる。

落雷からの人身防護

雷検知器」も参照
雷の天気記号(日本式)

2005年時点の世界平均では、全被害者のうち死亡者は30(%)とされている。しかし日本では被害者の70%が死亡している。すなわち日本の落雷事故による死亡率は異常に高い。これは日本の事故実態として、ほとんどが屋外で危険な木の下などで雨宿りをしていて側撃雷にやられており、直撃雷による死亡率、すなわち約80%とあまり差が出ないことによる。日本の場合、被害のおよそ全数を把握する体制・システムはないので、数字としてあらわれてこない軽傷事故がどのくらいあるのか不明であるが、日本ではこの事故実態と高い死亡率より、専門家の間で国民一般に対する防雷意識の啓蒙が叫ばれている。ちなみに米国では2008年現在のデータで、年平均被害者数400名、死亡者数62名であり、死亡率は15.5(%)と低い。なお警察白書にある数字で、日本における死亡リスクとして観ると、2000年時点で航空機事故を1とするならば、落雷による死亡リスクは0.66、癌による死亡リスクの約5万分の1である。

ヒトの危険回避プロセスは「認知」「判断」「行動」であるが、雷は、ヒトの五感で直接、危険性を認知するのに限界があり、従って後の判断と行動に誤りが生じやすい。そのためこれを補助する「予報」「警報」が重要になる。

落雷予測

雷ナウキャスト
雷ナウキャストの見方

かつて雷の詳細な予報は困難であり、天気予報においても雷注意報などで注意を呼びかけるにとどまっていた。しかしその後の雷観測技術の飛躍的な進歩により、日本の気象庁は2010年5月27日から、落雷を予報する「雷ナウキャスト」を開始するに至った。これは、日本全国を精度1000m四方、60分先まで10分刻みの局地落雷予測を行うものである。また、日本の電力会社各社や民間でも、独自に雷雲や落雷の観測システムを持っている。

しかし雷観測技術が進歩し、雷の性質や挙動が次々に解明された結果、雷からの人身防護として最も確実なのは、雷注意報が出ているときは屋外に出ないことであるという、昔から経験的に知られていたことが改めて明らかになった。アメリカ海洋大気局(NOAA)では、2010年5月現在、「When Thunder Roars, Go Indoors!」(日本語で「雷が近づいたら、建物の中へ入れ!!」)をスローガンとし、広く米国民に人的落雷被害防止を呼びかけている。2010年5月31日には、アメリカ合衆国バラク・オバマ大統領が、雷雨の中、全米国民に向けて雷からの人身防護を呼びかけた。

雷は極めて局地的な気象現象であるのに「雷注意報」は広域かつ長時間に渡ってされることが多く、これにいちいち従って避難していたのでは何もできないという現実的要求から、十分な時間的余裕をもって確実にピンポイントで「落雷警報」を出すためのものとしての雷観測手段、すなわち雷検知器が人身防護用ツールの「切り札」として期待されたのであるが、皮肉にもそのための大規模な雷観測と研究がすすめられた結果、それは技術的にではなく「雷の挙動」により困難であることが明らかになり、雷ナウキャストなどの「システム」として構築されるに至った。

雷の挙動は速く、雷雲の形成開始より、わずか10分程度で落雷に至ることもあれば、数十キロメートルの範囲で同時に落雷する、さらに前線に伴うものなどでは、同時刻に落雷の起きる範囲が数百キロメートルといったことも珍しくない。このため、たとえ1000km、あるいはそれ以上の範囲で生じる稲妻探知能力を有する雷検知器を用いて観測を行っても、落雷を確実に予測できるものにはならず、まして数十キロメートル程度の範囲の稲妻探知能力しかない簡易型落雷警報機などはこの場合、単体では役に立たないものとなる。これをおぎなうことができるのは、気象レーダーによる雨雲観測、あるいはその場に固定設置する電荷検出型雷検知器などになるが、雷雲の形成開始よりわずか10分程度で落雷に至ることがある以上、ピンポイントで「落雷警報」が出せるのはせいぜい10分前であり、人身防護の点で、確実には雷注意報に従うしかない。2010年9月23日、千葉県で起きた落雷事故において、気象庁の雷ナウキャストの「警報」にあたる「活動度2」以上は、間に合っていない。しかし発表されていた雷注意報は正しく、雷ナウキャストの「活動度1」も正確であった。

退避行動

雷鳴や稲光りなどの兆候が現れたときは早めに避難する必要がある。稲光りから雷鳴までは若干のタイムラグがあるときがあり、現在地から落雷点までの距離は3秒間をおよそ1kmと想定して計算できるものの、雷雲の移動速度のほうが時速10~40kmほどもあるためたとえ直前の落雷点が離れていたとしても早めの避難が必要となる。

屋外スポーツの指導者や施設管理者にも落雷事故を予防するための正しい知識が要求される。日本では高知県の高等学校の生徒が課外クラブ活動としてのサッカーの試合中に落雷により負傷した事故の損害賠償請求訴訟で、最高裁が「上空には黒く固まった暗雲が垂れ込め、雷鳴が聞こえ、雲の間で放電が起きるのが目撃されていた」という事実を認定したうえで、「スポーツ指導者において、落雷事故発生の危険性の認識が薄く、雨がやみ、空が明るくなり、雷鳴が遠のくにつれ,落雷事故発生の危険性は減弱するとの認識が一般的なものであったとしても左右されるものではない。なぜなら、上記のような認識は、平成8年までに多く存在していた落雷事故を予防するための注意に関する本件各記載等の内容と相いれないものであり、当時の科学的知見に反するものであって、その指導監督に従って行動する生徒を保護すべきクラブ活動の担当教諭の注意義務を免れさせる事情とはなり得ない」とした(平成18年3月13日最高裁判決)。

屋外にはどこにも安全な場所はない。よって建物内などに直ちに避難することができない、あるいはそれが予想される場所に出かけるときには、天気予報に十分注意して、黒い雲の接近・雷鳴・急な冷たい風などが発生した場合には屋内に逃げること、さらに、雷の恐れのあるときには出かけるのをはじめから控える。これらのことはすでに子供に対しても、アメリカのNOAA、日本の気象庁などで呼びかけられている。

建物・機器の落雷対策

日本での落雷数は、8月には100万回を超える。家電製品などの雷被害は非常に多く、日本では少なくとも年間、数万件の被害が発生していることがわかってきた。このため日本では特に建物・機器の雷対策が欧米の雷対策先進国よりも「遅れている」と言われるようになったが、事情は複雑である。

日本の建物・機器に関する本格的な雷対策技術は半世紀以上も前より世界トップレベルにある。2013年現在、完全に被害を無くすことはまだできないが、理論的・技術的に相当なレベルまで被害を無くすことが可能になっている。例えば、日本の危険物施設などで実施されている雷対策は十分な成果を挙げ続けており、小さな機器故障などはあるが、落雷による油タンク火災を例にすると、いまだ世界の油タンク火災が、圧倒的に落雷により発生しているのに対し、日本では統計のある1962年以降、落雷により発生した火災はわずか2件、最後の事故は1987年であり、以降、雷による事故報告は1件もない。これは日本全国に無数にあるガソリンスタンドなども含んだ数字である。

しかしこれとは対照的に日本の場合、一般への雷対策普及は遅々として進まず、年間、少なくとも数万件、数千億円の被害が発生し続けている現実がある。事実、電気設備数として最も数多い日本の一般家庭には電源用避雷器すら普及しておらず、2006年時点でその普及率はわずか1~2%程度である。これは雷による感電・火災事故防止上、強制力を持って一般家庭への避雷器設置が進められている欧米諸国と比べると、桁違いに低い数字である。

この極端な差を生んでいる原因については、専門家の間でもさまざまな意見があるが、建物・機器の落雷対策はいわゆる「総合技術」であり、携わる技術者にはおよそ気象学にはじまり、電気工学電子工学通信工学機械工学化学工学建築工学土木工学といったところまでの広い専門知識が要求される。このことから日本雷保護システム工業会(JLPA)は、一般への広報と併せ、不足している専門技術者の育成を図り、雷保護製品等の品質、性能等について社会的信頼性の向上を図るといった活動をおこなっている。

以下、建物・機器の雷対策に用いられる主なものを挙げる。

避雷針

詳細は「避雷針」を参照

落雷の原理として、地面と上空との電位差から生じることがわかっている。このことから適切な位置に避雷針を設置して空中放電し、建物・機器に影響が及びにくいように導雷するとともに、あらかじめ地面と上空との電位差を軽減するという処置がとられる。建築基準法33条では、「高さ20メートルをこえる建築物には、有効に避雷設備を設けなければならない。ただし、周囲の状況によつて安全上支障がない場合においては、この限りでない。」と定められている。

避雷針には保護範囲があり、その範囲外にあるものは保護できない。JIS A 4201では、規定の「保護角」や「回転球体」などを用いて、範囲を定めるものとしている。国会議事堂やその他文化財のように長い、または高い形状の建物の場合、避雷針では十分な保護範囲が得られない場合もあり、棟上げ導体などを使用して広い保護範囲を得る事も行われている。また、雷ストリーマを発生させて保護範囲を広くしたものなど、現在も新たな避雷針の開発が進んでいる。

しかし、この避雷針も雷の被害を完全に防ぐものではなく、通常の避雷針をビル等に設置した場合、設置位置によっては避雷針ではなく建物の角に落雷することもあるほか、避雷針の保護範囲に入っていても雷の直撃を受けることがある。このため、他の方法を組み合わせることがJIS A 4201などで規定されている。

雷サージ対策

詳細は「サージ防護機器」、「避雷器」、および「保安器」を参照

雷サージによる家電製品やパーソナルコンピュータの被害を軽減するための方法として、2003年に、建物に適切な接地等電位化を行い、電気・電話線には適切に避雷器を設置することなどがJIS A 4201・JIS Z 9290-4などで規定された。また、電話線・CATVには、保安器の設置が義務付けられている。サージプロテクタというコンセント型の器具も販売されているが、単体使用するとかえって危険なこともある。

これらの対策をとってなお、家庭などにおいて雷サージによる家電製品やPC等の故障を防ぐためには、雷の時は電源ケーブルや電話線をコンセントから抜いておく事が望ましいとされる。

その他の落雷対策

ここでは、現在研究中のものを示す。いずれも、雷放電自体を起こさなくするものではない

雷ストリーマによる誘雷
雷ストリーマによる誘雷に適した形状(小形放電電極と下部集電電極)をした避雷針などに、予め別途回路により雷ストリーマを発生させておき雷を誘導する方法である。
レーザー誘雷
雷雲に向けて強力なパルスレーザーを当てて稲妻の通り道となるプラズマを発生させ、稲妻を安全な場所へ誘導することが可能である事が実験で実証されている。送電線鉄塔への落雷が原因の停電を防止する手段として期待されている。
ロケットによる誘雷、消雷
ロケットに電線を繋げて打ち上げ、雲の上下に生じた電位差を電線を通じて放電する事により落雷を防ぐ。電線はジュール熱によって蒸発する。
その他
消雷装置」という、雷放電が落雷になりにくくする研究もなされ、特許も取得されているが、いまだ研究途上である。

落雷の農業への影響

古来より水田に落雷すると収穫量が増えるので稲妻の語源になった。これは落雷による放電で窒素酸化物が生成され、亜硝酸塩へと変化して、イネの養分になるからである。同様に落雷したほだ木ではきのこの収穫量が増えると古代ギリシアプルタルコスの著作である『食卓歓談集』にも記述される程、古来より言われてきたが、これはほだ木内部の窒素が雷の高電圧によって亜硝酸塩等の窒素化合物が生成されて菌糸の養分になるからである。これを人工的に実施して収穫量を増やす試みが行われる。

落雷実験

日本工業大学の超高圧放電研究センターでは300万ボルトインパルス電圧発生装置による人工的な落雷実験が行われている。 電力中央研究所の電力技術研究所塩原実験場では、1200万ボルトインパルス電圧発生装置で実験が行われている。

落雷の被害者

落雷による死者

「Category:落雷で死亡した人物」および「:en:Category:Deaths from lightning strikes」も参照

神話

紀元前生まれ

1千年紀生まれ

2千年紀生まれ

3千年紀生まれ

落雷被害にゆかりのある者

出典:wikipedia
2021/09/17 18:37

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