前回に引き続き、2019年度の16号目のネイチャーのハイライトより。
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大気科学：雷の針状構造
Nature 568, 7752
2019年4月18日
雷は、なじみ深いがほとんど解明されていない自然現象である。オランダの電波望遠鏡LOFAR（低周波干渉計）は、かつてない時空間的分解能で雷事象を三次元観測できる。今回、負ではなく正に帯電した雷プラズマチャネルに付随する針状の構造的特徴が発見された。この構造によって、なぜ正と負の2つのチャネルが全く異なる振る舞いをするのか、またその根底にある放電過程とどのように関係しているのかが説明される可能性がある。
NEWS & VIEWS p.319
LETTER p.360
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Credit: Design Pics / Corey Hochachka / Getty Images
この論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌においては、「大気科学：雷をより詳しく調べる」と題されています。
見出しにおいては、「今回、正に帯電した雷放電路で、負に帯電した雷放電路には見られないような構造的特徴が特定された。この発見は、この2種類の放電路の振る舞いが異なる理由を説明できる可能性がある。」と取り上げられました。
フルテキストを直訳しますと・・・
稲妻をよく見ると、針のような構造がわかります
となります。
見出しを直訳しますと・・・
構造的特徴は、負に帯電したものには存在しない正に帯電した雷チャネルで識別されています。この発見は、これら2つのタイプのチャネルの動作が異なる理由を説明する可能性があります。
となります。
本文を直訳しますと・・・
雷の加速された電荷は、広範囲の周波数にわたって電磁放射を生成します。 1世紀以上の間、雷は無線周波数検出システムを使用して研究されてきました。そして過去数年間で、低周波アレイ（LOFAR）と呼ばれる電波望遠鏡が雷について訓練されてきました。この望遠鏡は、ヨーロッパの複数の国に広がる何千ものアンテナで構成されており、前例のない空間分解能で雷の構造を観察することができます。自然の中で書いているHareet al.[1]は、LOFAR観測の分析を提示し、最初に正に帯電した稲妻チャネルから垂直に伸びる針（長さ10〜100メートルの構造的特徴）の発見を報告しています（参考文献2も参照）。この発見は、稲妻のより良い理解につながり、稲妻がちらつく理由を説明する可能性があります。
落雷は巨大な放電です。実験室での類似点は、抵抗を介したコンデンサと呼ばれる電子デバイスの放電です。これは、コンデンサの電荷が時間とともに指数関数的に減衰するため、非常に効率的なプロセスです。雷による雷雨の放出は、電荷が空間的に分布している粒子に存在するため、著しく効率が低下します。効率的な放電には、嵐の中のすべての荷電粒子への導電経路の確立が必要です。これらすべての経路を提供するために空気をイオン化する必要があることを考えると、そのようなプロセスは実行不可能な量のエネルギーを必要とします。
代わりに、雷はイオン化された空気の双方向チャネルを形成し、正と負に帯電した端部（それぞれ正と負のリーダーとして知られています）で開始点から離れて伝播します（図1a）。正のリーダーは、負に帯電した霰（ソフト雹）粒子の領域に下向きに伸び、負のリーダーは、正に帯電した氷晶の領域に上向きに伸びます。したがって、雷雨の放電は、コンデンサの放電よりもはるかに複雑です。
雷放電は、針に非常に関連するもう1つの重要な側面で、理想的なコンデンサ放電とは異なります。雷チャネルの電気抵抗は一定ではなく、電流の減少とともに大幅に増加します。たとえば、1アンペアの電流を流すチャネルの単位長さあたりの抵抗は、100A[3]を運ぶチャネルの抵抗の約300倍です。 Hareらは、正のリーダーで電流カットオフ（電流の劇的な減少）を引き起こす際のこの「負の微分抵抗」の役割を強調しています。
「極性の非対称性」という用語は、正電荷と負電荷など、反対の属性を持つオブジェクトの巨視的な動作の違いを指します。雷リーダーの極性の非対称性は顕著であり、最終的にはイオン化された空気[4]の電荷キャリアの顕著な極性の非対称性に起因します。自由電子は移動性が高く、より重い正イオンは移動しません。雷チャネルは自由電子によって供給され、正のリーダーの先頭で電子が収束し、負のリーダーから発散します。その結果、負のリーダーは高速でエネルギッシュで、大量の無線周波数放射を放出し、多くの自由電子を生成します。対照的に、正のリーダーはゆっくりとスムーズに進行し、高周波放射をほとんど放出せず、自由電子をほとんど生成しません。後者の特性は、ポジティブリーダーをより脆弱にし、現在のカットオフを起こしやすく、ネガティブリーダーよりも針を示す可能性が高くなる可能性があります。
Hareらによって特定された針。これで、単純な雲内雷フラッシュで、雷雲の正および負に帯電した領域にまたがる極性非対称のリーダーのコンテキストで描くことができます（図1a）。フラッシュ中に、リーダーに沿って蓄積された電荷は、リーダーから電荷を押しのける大きな半径方向の電界を生成します。この放電はコロナシースと呼ばれる円錐構造を形成し、半径方向の電界が特定のしきい値より小さくなるまで外側に拡張します。したがって、シース半径が小さいほど、しきい値が大きくなります。これらのしきい値の極性の非対称性により、正のリーダーの周りのシースの体積を、負のリーダーの周りの体積の約10倍にすることができます[5]（図1b）。
霰粒子によって運ばれる負電荷は、正のリーダーのコロナシース内の体積充填放電[6]によって動員されます。この電荷は、雷雲の正に帯電した領域に向かって移動しますが、正のリーダーの先端近くに蓄積します（図1c）。リーダーの他の部分と比較して、この領域は、その自由電子集団が最近形成されたため、電流カットオフの傾向が最も低くなります。したがって、大規模な雷は全体的な静電エネルギーを枯渇させますが、負電荷（および静電エネルギー）の局所的な集中は強化されます。次に、小さな負のリーダー（針）が正のリーダーから垂直に発射され、LOFAR測定により、半径方向の進行速度を解決して、負の電荷を確認できます。
うさぎら。雷雲の正の端に向かう負電荷の流れの減少は、雷チャネルの電流の減少を表すことを強調します。電流の減少は、雷構造の概念モデルでは容易に説明できない電流カットオフ[4,7,8]につながる暴走不安定性の前提条件です[9]。将来の作業では、針の形成と、ポジティブリーダーのK変化と呼ばれる反動と放電の発生との関係を確立することが重要になります。このような影響は、現在の遮断と稲妻のさらなるストロークの形成の認識されたサインです。ポジティブリーダーの近くで観察される他の双方向リーダーの発達の発生における稲妻コロナシースの役割を確立することも重要です[10,11]。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：NEWS & VIEWS p.319
A closer look at lightning reveals needle-like structures
本論文においては、日本語版本誌では、「大気科学：正に帯電した雷の枝で発見された針状構造」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
正に帯電した稲妻の枝で発見された針のような構造
となり、Abstractを直訳しますと・・・
雷は危険ですが、よく理解されていない自然現象です。雷は、正と負の両方の電荷を持つ端部（正と負のリーダーと呼ばれる）で開始点から離れて伝播するプラズマチャネルのネットワークを形成します[1]。負のリーダーは離散的なステップで伝播し、30〜300メガヘルツの周波数帯域で大量の無線パルスを放射します[2,3,4,5,6,7,8]。これはリモートセンシングおよび高い空間的および時間的解像度で画像化できます[9,10,11]。ポジティブリーダーはより継続的に伝播するため、高周波放射をほとんど放出しません[12]。それにもかかわらず、ポジティブリーダーからの電波放射はマッピングされており[13,14,15]、ネガティブリーダーとは異なるパターンを示しています[11,12,13,16,17]。さらに、正のリーダーが負のリーダーから一時的に切断される可能性があると推測されています[9,12,16,18,19,20]。これにより、正のリーダーを負のリーダーに再接続する電流パルスが発生する可能性があります11,16,17,20,21、 22そして複数の雲から地面への雷イベントを引き起こします1。切断プロセスは負の差動抵抗によるものと考えられています18が、これは切断が主に正のリーダーで形成される理由22、または雲から地面への雷の電流がゼロにならない理由23を説明していません。確かに、ポジティブリーダーがどのように無線周波数放射を放出するのか、なぜ彼らがネガティブリーダーとは異なる振る舞いをするのかはまだ理解されていません。ここでは、前例のない時空間分解能でオランダ上空の雷の3次元無線干渉観測を報告します。ポジティブリーダーからの電波放射の主な発生源である小さなプラズマ構造（「針」と呼ばれます）が見つかります。これらの構造はリーダーから電荷を排出しているように見え、おそらく正のリーダーが負のリーダーから切断され、雲から地面への雷が何度も地面に接続する理由です。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：LETTER p.360
Needle-like structures discovered on positively charged lightning branches
Data availabilityによりますと・・・
データを取得するには、読者はASTRON Webサイト（http://www.astron.nl）を介して電波天文台にサポートリクエストを送信する必要があります。 2016年のフラッシュは、プロジェクトLC6_003、観測L526419、タイムスタンプD20160712T173455.100Zからのものでした。 2017年のフラッシュは、LC8試運転データ、観測L612746、タイムスタンプD20170929T202255.000Zからのものでした。
Code availabilityによりますと・・・
データは、https：//github.com/Bhare8972/LOFAR-LIMバージョン2018.11.8にアーカイブされたソフトウェアで処理されました。
究極に溜まりに溜まりまくっているネイチャー。次回は、「量子光学：量子反作用に耳を傾ける」を取り上げます。
現在の事態が事態なので、ネイチャーの論文が停滞しております。時期を見まして取り上げる量を増やそうと思っています。
※体調を確保しながらなので、更新等が滞ることもあるかと思いますので、申し訳ないと思っております。主治医の指示に従っておりますので、ご安心くださいませ。まずは取り急ぎに取り上げます。
※政宗（いぬのきもち・ねこのきもちのデータベース）つついては、体調をみながら随時、最終更新日から取り上げています。癒し＆知識の増強にお役立てくださいませ。