2018年の夏の嵐の際、オランダの電波望遠鏡ネットワーク上空で、衝撃的な雷が閃光を放ちました。最近になってようやく処理された望遠鏡の詳細な記録から、これまで誰も見たことのない現象が明らかになりました。雷雲の中で実際に雷が発生しているのです。
まもなくGeophysical Research Letters誌に掲載される新論文の中で、研究者たちは観測結果を用いて、雷の発生原因に関する長年の論争に終止符を打った。雷は、雷が発生し、成長し、地面に伝わるという謎めいたプロセスの第一歩である。「これはある意味恥ずかしい。地球上で最もエネルギーの強いプロセスであり、この現象を信仰の対象とする宗教があるにもかかわらず、その仕組みは全く分かっていない」と、フローニンゲン大学の雷研究者で新論文の共著者であるブライアン・ヘア氏は述べた。
教科書で習う雷雲の中では、軽い氷の結晶が上昇するにつれて雹が降る、という説明が一般的です。雹は氷の結晶の負に帯電した電子を擦り落とし、雲の上部は正に帯電し、下部は負に帯電します。これにより電界が形成され、巨大な火花が空を横切るまで成長します。
しかし、雲内部の電界は火花を発生させるには約10倍も弱い。「人々は何十年もの間、風船、ロケット、飛行機を雷雨の中に送り込んできましたが、これほど強い電界は見たことがありません」と、ニューハンプシャー大学の物理学者で、今回の論文の共著者でもあるジョセフ・ドワイヤー氏は述べた。同氏は20年以上にわたり雷の起源を解明しようと研究を続けてきた。「雷がどのように発生するのかは、まさに謎でした」
大きな障害は雲が不透明であることです。どんなに高性能なカメラでも、内部を覗き込んで雷の発生の瞬間を観察することはできません。そのため、科学者たちは最近まで嵐の中に飛び込むしか選択肢がありませんでした。これは、1752年のベンジャミン・フランクリンの有名な凧の実験以来、科学者たちが試みてきたことです。（当時の記録によると、フランクリンは凧に鍵を付けて雷雲の下を飛ばし、凧が帯電するのを観察しました。）近年では、気象観測気球やロケットによって内部のスナップショットが撮影されていますが、それらの存在は、自然には発生しない火花を人工的に作り出すため、データに干渉する傾向があります。「雷が発生する時間と場所における雷雨内部の状態は、長い間、まったくわかっていませんでした」とドワイヤー氏は言います。
嵐雲の不透明さのため、科学者たちは最近まで雷の発生過程を観察することができませんでした。写真：ジョージ・ローズ/ゲッティイメージズ
そこでドワイヤー氏と彼のチームは、主にオランダに設置された数千基の小型電波望遠鏡からなるネットワーク、低周波アレイ（LOFAR）に着目しました。LOFARは通常、遠方の銀河や爆発する星を観測します。しかし、ドワイヤー氏によると、「たまたま雷の測定にも非常に優れているのです」とのことです。
雷雨が頭上を通過すると、LOFARでできる天文学的な研究はほとんど行われません。そのため、LOFARはアンテナを調整し、雷の閃光から発生する約100万波の電波パルスを検出します。可視光とは異なり、電波パルスは厚い雲を透過します。
電波検出器を用いて雷の分布をマッピングすることは目新しいことではありません。専用の電波アンテナは長年にわたりニューメキシコ州の嵐を観測してきました。しかし、それらの画像は解像度が低いか、2次元画像に限られていました。最先端の天体望遠鏡LOFARは、従来の機器の200倍のフレームレートで、メートル単位のスケールで雷の分布を3次元でマッピングできます。「LOFARの測定により、雷雨内部で何が起こっているかを初めて真に明確に把握できるようになりました」とドワイヤー氏は述べています。
稲妻が実体化すると、数百万もの電波パルスが発生します。研究者たちは、この膨大なデータから3Dの稲妻画像を再構築するために、アポロ月面着陸で使用されたものと同様のアルゴリズムを採用しました。このアルゴリズムは、物体の位置に関する既知の情報を継続的に更新します。単一の無線アンテナでは稲妻の大まかな方向しか示せませんが、2つ目のアンテナからのデータを追加することで、位置が更新されます。LOFARの数千のアンテナを着実にループさせることで、このアルゴリズムは明確な地図を構築します。
研究者たちは2018年8月の雷のデータを分析した結果、電波パルスがすべて嵐の雲の奥深く、幅70メートルの領域から放射されていることを発見した。彼らはすぐに、このパルスのパターンが、最も一般的なタイプの雷の発生方法に関する2つの主要な理論のいずれかを裏付けていると推測した。
一つの考え方では、宇宙からの粒子である宇宙線が雷雨内の電子と衝突し、電子なだれを引き起こして電場を強化すると考えられています。
新たな観測結果は、対立する理論を示唆している。この理論は、雲の中にある氷結晶のクラスターから始まる。針状の結晶同士の乱流衝突によって、一部の電子が剥がれ落ち、それぞれの氷結晶の一方の端は正に、もう一方の端は負に帯電する。正の端は近くの空気分子から電子を引き寄せる。さらに遠くの空気分子からも電子が流れ込み、それぞれの氷結晶の先端からイオン化された空気のリボンが伸びる。これらはストリーマーと呼ばれる。
主にオランダに設置された大規模な電波望遠鏡ネットワーク「LOFAR」は、天文学観測を行っていないときには雷を記録している。写真：LOFAR/ASTRON
それぞれの結晶の先端から無数のストリーマーが生まれ、個々のストリーマーは次々と枝分かれしていきます。ストリーマーは周囲の空気を熱し、空気分子から大量の電子を剥ぎ取ります。その結果、より大きな電流が氷結晶に流れ込みます。最終的に、ストリーマーは十分に熱くなり、導電性が高まり、先導線へと変化します。先導線に沿って、本格的な稲妻の筋が突如として伝わるのです。
「これが私たちが見ているものです」と、新論文の筆頭著者であるクリストファー・スタープカ氏は述べた。研究者たちがデータから作成した、閃光の発生を示す動画では、電波パルスが指数関数的に増加している。これはおそらく、大量のストリーマーによるものと思われる。「雪崩が止まった後、近くに雷の先駆者が見えます」と彼は述べた。ここ数ヶ月、スタープカ氏は最初の動画に似た、雷の発生を示す動画をさらに収集している。
氷結晶の重要な役割は、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）パンデミックの最初の3ヶ月間に雷活動が10%以上減少したという最近の研究結果と一致しています。研究者たちは、この減少の原因はロックダウンによる大気汚染物質の減少、ひいては氷結晶の核形成場所の減少にあると考えています。
「LOFARが示した前進は確かに非常に意義深い」と、オランダ国立数学・コンピュータ科学研究所とアイントホーフェン工科大学の物理学者で、雷の発生を研究しているが、今回の研究には関わっていないウテ・エバート氏は述べた。彼女は、LOFARの発生動画は、これまで高解像度データの不足によって阻まれてきた正確な雷モデルとシミュレーションを構築するための枠組みを提供すると述べた。
しかしエバート氏は、新論文で説明されているイニシエーションムービーは、解像度が高いにもかかわらず、氷粒子が空気を電離させる様子を直接撮影したものではなく、その直後に何が起こるかを示しているだけだと指摘する。「最初の電子はどこから来るのか？氷粒子の近くで放電はどのようにして始まるのか？」と彼女は問いかけた。宇宙線が直接雷を発生させるという対立説を支持する研究者はまだ少ないが、宇宙線は氷結晶につながる最初のストリーマーを誘発する電子を生成するという二次的な役割を果たしている可能性があるとエバート氏は述べた。ストリーマーがどのようにしてリーダーに変化するのかについても、「大きな議論の的となっている」とヘア氏は述べた。
ドワイヤー氏は、LOFARがこうしたミリメートル単位のプロセスを解明できると期待している。「私たちは、氷結晶から最初に放出される小さな火花を観測することで、まさに最初の段階における開始過程を捉えようとしているのです」と彼は語った。
雷の発生は、雷が地面に到達するまでの多くの複雑なステップの最初の一歩に過ぎません。「雷がどのように伝播し、成長するのか、そしてどのように地面に接触するのかは分かっていません」とヘア氏は言います。科学者たちは、LOFARネットワークを使って、その全過程をマッピングしたいと考えています。「これは全く新しい能力であり、雷に関する理解を飛躍的に深めることになるでしょう」と、ニューメキシコ州サンディア国立研究所の雷研究者、ジュリア・ティレス氏は述べています。
オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。
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