ベンジャミン・フランクリン以来の科学的疑問に終止符

2025年7月28日、ペンシルベニア州立大学の研究チームが、1752年のフランクリンによる有名な凧実験以来、273年間にわたって未解明だった「雷は雷雲の中でどのようにして発生するのか」という根本的な問いに、ついに科学的な答えを提示しました。研究成果は、地球物理学の専門誌『Journal of Geophysical Research』に掲載されました。

雷は「宇宙線から始まる」──発生の仕組みを解明

本研究の主著者であるペンシルベニア州立大学のビクター・パスコ教授（電気工学）は、この発見を「X線、電場、電子雪崩の物理学の点を結んだ成果」と位置づけています。

研究では以下のようなプロセスが明らかになりました：

1. 宇宙線が雷雲内に進入
   • 地球外から到来する宇宙線が、雷雲内で**相対論的電子（極めて高エネルギーの電子）**を生成。
2. 電子の加速
   • 雷雲の内部には強い電場が存在しており、この電場が電子を光速に近い速度まで加速。
3. 空気分子との衝突とX線の生成
   • 加速された電子が空気中の酸素や窒素分子に衝突し、X線を放出。
4. 電子と高エネルギー光子の「雪崩現象」
   • この衝突により新たな電子と光子が発生し、連鎖的な増幅反応（電子雪崩）が始まる。

これらの現象は、数学的に「光電フィードバック放電モデル」でシミュレーションされ、雷雲内の観測データと一致することが確認されました。

見えない「ピンボールマシン」──雷雲の内部構造

博士課程の研究者ザイド・ペルベズ氏は、このプロセスを「見えないピンボールマシン」と表現。電子が電場で加速されながら分子に衝突して次々と新たな電子やX線を生み出す様子を例えたものです。

さらに本研究により、

• 雷雲内で電子のカスケード（連鎖反応）を開始する条件
• 雷発生直前に観測されるさまざまな電波信号の由来

が明確に特定されました。

雷と関係する「地球ガンマ線フラッシュ（TGF）」の正体も解明

この研究は、これまで正体不明とされていた大気現象**地球ガンマ線フラッシュ（TGF）**についても説明を提供しています。

• TGFとは？
  • 雷鳴や閃光がないにもかかわらず、雷雲の中で発生するX線・ガンマ線の微弱な爆発現象。
• 発生源は？
  • 雷と同じ電子雪崩が原因であることが判明。
  • 非常に弱い光学・電波放射しか伴わないため、従来の観測では把握困難だった。

これらのTGFは、実際の落雷の数マイクロ秒前に発生することが、日本の2025年の研究により確認されています。

国際協力によるブレイクスルー

今回の研究には、

• フランス、デンマーク、チェコ共和国
• NASAのゴダード宇宙飛行センター

など、世界各国の研究者が参加。米国の国立科学財団および複数の国際機関の支援を受けた大規模な協力体制で実施されました。

雷予測と安全対策の新時代へ

この成果は単なる科学的知見にとどまらず、将来的には落雷の予測精度向上や航空・建設・電力インフラの安全性向上にもつながると期待されています。大気物理学の長年の課題が解かれた今、新たな応用技術の開発が加速することでしょう。

出典

• Live Science
• Science Daily
• The Independent
• Journal of Geophysical Research

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