ジョセフ・ドワイヤーは、地球上の雷に対する私たちの理解方法を変える前に、より宇宙的な環境で天気を研究しました。彼は、100万マイル離れた軌道を周回するNASAの風衛星のセンサーを使用して、太陽からフレアが発射されるのを観察し、太陽の表面から流れ出る粒子を分析しました。しかし、2000 年代の変わり目頃にフロリダに移住したとき、ドワイヤーは何か新しいこと、つまり彼と彼の生徒たちが自分たちで研究できることへの準備ができていると感じました。熱帯の気候が彼のオフィスの窓の外にふさわしい謎を届けるまで、それほど時間はかかりませんでした。 「外はドーン、ドーン、ドーンという感じでした」とドワイヤーさんは語った。 「調べてみると、雷は未解決の問題であることがわかりました。」
雷雨は何千年も人類を魅了してきましたが、その内部の仕組みは依然として深く謎に包まれています。嵐の雲は不透明です。近づくのは危険です。そして、それらは研究室に収まるには大きすぎます。好奇心旺盛な研究者たちは、3 世紀近くにわたって凧、風船、ロケットを地球に送り続け、多くのことを学んできました。しかし、雷愛好家は、実際の動作に近づくたびに、自分たちの理解に大きなギャップがあることに気づきます。過去 50 年間、研究者たちは 1 つの特定のギャップに焦点を当ててきました。それは、私たちが稲妻と呼ぶギザギザの白い熱気の経路がどのようにして発生するのかということです。
最近、研究者たち（その多くはドワイヤーのような天体物理学難民）が雲を突き破る新しい方法を考案し、この分野は一種のルネサンスを経験している。彼らは、暴力的な宇宙事象を研究するために作られた多数の機器を使用し、地上の雷雨の残忍さについて訓練しました。彼らは、稲妻がジグザグに X 線を発射するのを目撃し、雷雲から来るガンマ線のちらつきを発見し、ごく最近では、ボルトが予期せぬ方向に移動する兆候を検出しました。
すべての要素をまとめた人はいませんが、雷についての新たな理解が形になりつつあります。この恐ろしい閃光は、物理学者がかつて想像していたような超巨大な電気火花にはますます似なくなってきています。電気が中心的な役割を果たしますが、稲妻は宇宙爆発から素粒子物理学に至るまで、物理学の規範全体によって形成され、形作られます。特に、ボルトを引き起こすには、ふわふわした雲よりも、超新星、ブラック ホール、粒子衝突器に一般的に関連する極端な現象が必要であるようです。
ニューメキシコ工科大学の大気物理学者カイタノ・ダ・シルバ氏は、「雷の発生には高エネルギープロセスが重要な役割を果たしているという点で、この分野ではコンセンサスが得られつつある」と述べた。 「この分野に携わるのはとても楽しい時期です。」
トリガーポイント
稲妻が空を裂いたとき、古代ギリシャ人、スカンジナビア人、ヒンドゥー教徒は神聖なる戦いの閃光を目にしました。そして雷鳴が胸を震わせると、中国人は悪行者を罰する神を感じた。今日でも、雷雨の威力は人々に畏怖の念を与えています。
「私はブラジルで、大きな寒冷前線がたくさんの雷を伴ってやってくるのを見て育ちました」とダ・シルバさんは語った。 「だんだん怖くなってきました。」
恐怖とともに魅惑も生まれます。しかし、何世紀にもわたる探検にもかかわらず、ダ シルバのような魅惑的な物理学者は、古代人と同じ質問を今も問い続けています。「雷はどのようにして発生するのでしょうか?
しばらくの間、研究者たちは答えがあると考えていました。 18 世紀と 19 世紀に物理学者が電気の謎を解明する中で、彼らは命令に応じて大量の火花を発生させる方法を学びました。つまり、1 つの金属球に電荷を蓄積し、2 つ目の金属球を近くに近づけると、それらの間で火花が飛び散ります。研究者たちが最終的に物質の構造を解明したとき、その理由が分かりました。分離された電荷はボール間に電界を生成します。電場が臨界強度（1 メートルあたり約 300 万ボルト）に達すると、空気が解け始めます。この場は放出された電子を隣接する原子に飛ばし、そこでさらに多くの電子を放出します。急な山の斜面に積もる雪のように、電子は「雪崩」を起こし、空気が輝くまで加熱されます。
マーク・ベラン/クアンタ・マガジン
ベンジャミン・フランクリンは、1752 年の有名な凧揚げ実験で、研究室での火花を空の稲妻と結びつけました。そしてその後 200 年間、研究者らは、嵐の雲の中で起こったことは、その金属球の間で起こったこととまったく同じであり、規模がより大きいだけであると信じていました。雷の謎が解けたようです。
しかし、20 世紀半ばに物理学者が凧からロケットやトラックサイズの気象気球に移行したとき、問題があることに気づきました。雲には確かに電場があります。小さな氷の結晶は、靴下がカーペットに当たるように互いにこすり合い、余分な電子を含む結晶は雲の底に積み重なる傾向があります。しかし、これらの分野は弱いです。典型的な雷雨では、スパークに必要な電気エネルギーはわずか 10 分の 1 であり、これまでに測定された最も強い電場でも、臨界強度のわずか 3 分の 1 に達します。しかし、NASA の衛星によると、世界中で常に 2,000 回以上の雷雨が発生しています。これはウサギの斜面を雪崩が轟くのと同じくらい不可解な観測です。
「従来の絶縁破壊閾値をはるかに上回る電場を増加させる必要があります」と、オクラホマ大学の過酷かつ高影響気象研究・運営協力研究所の研究者マイケル・ストック氏は言う。 「しかし、自然界ではそんなことは起こらないようです。」
目に見えるボルトは、空気が高温で帯電した亜原子の破片の混乱に分解されたことを意味します。したがって、何かが電場を過充電して臨界閾値を超えたか、あるいは他のプロセスが空気分子を破壊するかのどちらかです。問題は、何ですか?
1752 年、ベンジャミン フランクリンは、この c. に描かれているように、有名な凧の実験を行いました。ベンジャミン・ウェストによる 1816 年の絵画。この実験により、雷と電気の関係が確立されました。
パブリックドメイン
一つの手がかりが再びフランクリンから得られる。彼は、鋭い先端が火花を発しやすい、または受けやすいことに気づきました。現在、物理学者は、尖った導体が近くの電場を強化するためにこれが起こることを理解しています。 1960 年代と 1970 年代に、フロリダとフランスの物理学者は、嵐の雲に鋭い先端を備えた小型ロケットを発射して、意図的に稲妻を発生させ始めました。ワイヤーがロケットの後ろで巻き出され、ボルトを地面に導きます。
ほとんどの嵐雲には、火花を散らすためのロケットに取り付けられたダーツはありませんが、氷の結晶があり、その中には鉛筆の消しゴムよりも大きいものもあります。これらの氷の塊は導体でもあり、破片に伸びる可能性があります。物理学者らは、十分に長い氷の破片が磁場の強度を10倍以上高める可能性があり、これらのいわゆる水流星の数が一緒に作用すればさらに良い効果が得られると推定した。もう一度、謎が解けたように思えました。
その後、物理学者たちは宇宙から嵐を観察し始め、雷雲が想像以上に奇妙であることを知りました。
暴走雪崩
1994 年、極度の深宇宙爆発を探索している衛星が、雷雲から発せられるガンマ線の閃光を、しばしば稲妻と一緒に偶然捉えました。ガンマ線は最もエネルギーの高い種類の光線であり、通常、死にゆく星の最後のあえぎや 2 つの中性子星の大災害の衝撃を示します。いくら鋭い氷片があったとしても、雲の中からそれらが現れるとは予想できません。素粒子の高速かつ強烈な領域で何かが進行中です。
ドワイヤーがフロリダの雷雨の急増を目撃し、その神秘的な起源について知ったのはその頃でした。天体物理学者として、彼は亜原子の領域について知っていました。彼はノーベル賞受賞者C.T.R.の研究に精通していました。ウィルソンは、光速に近い速度で移動する「相対論的」電子は空気中の原子からの抵抗をほとんど感じないという仮説を立てた。 (ダ・シルバは、これを雪片の嵐を切り裂く弾丸に例えています。) したがって、電場内の十分な速度の電子は、より速く「逃げる」ことができます。
ドワイヤー氏は、ロシアの物理学者アレクサンドル・グレビッチ氏が1992年に、このような暴走電子がおそらく10万個の電子のカスケードを解き放つ可能性があることを示したことを知っていた。これは研究室で火花を発生させ、数百メートルから数千メートルにわたって展開する雪崩に似ている。そして彼は、これらの相対論的な暴走電子が空気分子で跳ね返されるとガンマ線を放出する可能性があることも知っていました。
フロリダでは雷がよく発生します。この攻撃は、1983 年 8 月 30 日にケネディ宇宙センターにあるスペースシャトル チャレンジャー号の発射台に衝突しました。
NASA
これらの極端な亜原子現象自体は、嵐の雲を照らす輝かしいガンマ線を説明できるほど豊富ではないようです。しかしドワイヤーは、ある雪崩が別の雪崩を引き起こし、さらに別の雪崩が重なり合うバロック的なプロセスを想像しました。
ドワイヤーのプロセスによれば、雪崩の中の 1 つの電子が原子に衝突すると、電子は跳ね返り、ガンマ線を放出する可能性があります。そのガンマ線は電子とその反物質の双子である陽電子に変化します。雲の電場は、雪崩が始まった場所の近くで陽電子を後方に押し出すでしょう。そこで別の原子に衝突し、別の雪崩を引き起こす可能性があります。これにより、軌道上からフラッシュが見えるようになるまで、より多くのガンマ線、より多くの陽電子、より多くの雪崩が発生します。
「それはマイクを取り出してスピーカーの横に貼り付けるようなものです」と、現在ニューハンプシャー大学に在籍しているドワイヤー氏は言う。 「すぐにとてもうるさくなることがあります。」
暴走する相対論的雪崩の積み重ねがガンマ線を説明できる可能性がある。そして、それは落雷の発生にも寄与する可能性があります。雪崩がカスケードするにつれて、電子は前方に蓄積し、その後には正に帯電したイオンが残り、雲の電場が高まります。
ドワイヤー氏はコンピューターシミュレーションで、この一連の出来事が雪崩を増幅させ、ガンマ線を放射し、電場を増大させることを示した。同じ頃、氷の破片の詳細なシミュレーションにより、氷の破片がどれほど鋭くなる可能性があるかが明らかになり、それほど鋭くはないが、これも水流隕石理論を弱め始めました。
では、ドワイヤーの暴走相対論的雪崩は本当に雲の中で起こったのだろうか？そして、これは雷を発生させるのに十分なほど電場を高めることができるでしょうか?彼の同僚の意見は分かれていました。
