Simulation experiments for examining the electric structure in a thunder cloud are carried.An apparatus of the experiments consists of the prastic resin channel and light vesicated beasts of polystilene. A surface potential meter is used for measurement of the charges. It is found from the simulation experiments that the potential distribution of the channel has a positive charge region at the low position of it and a negative region at the middel position and the charge distribution of the beases is very similar to that of real thunder cloud.雷雲の中の電気的構造を調べるためにシミュレーション実験を行った。この実験の装置はプラスチックのチャンネルと発泡スチロールの軽い玉からなっている。電荷の測定には表面電位計を用いた。このシミュレーション実験からこのチャンネルの電荷分布は下部が正電荷であり，中程は負電荷を持つ，そしてこのチャンネルの電荷分布は実際の雷雲の分布と非常に似ていることが分かった

北村 岩雄

富井 淳敏

小林 満博

池田 長康

Simulation experiments for examining the electric structure in a thunder cloud are carried.
An apparatus of the experiments consists of the prastic resin channel and light vesicated beasts of polystilene. A surface potential meter is used for measurement of the charges. It is found from the simulation experiments that the potential distribution of the channel has a positive charge region at the low position of it and a negative region at the middel position and the charge distribution of the beases is very similar to that of real thunder cloud.雷雲の中の電気的構造を調べるためにシミュレーション実験を行った。この実験の装置はプラスチックのチャンネルと発泡スチロールの軽い玉からなっている。電荷の測定には表面電位計を用いた。
このシミュレーション実験からこのチャンネルの電荷分布は下部が正電荷であり，中程は負電荷を持つ，そしてこのチャンネルの電荷分布は実際の雷雲の分布と非常に似ていることが分かった。Article富山大学工学部紀要，45, Page 23-29departmental bulletin pape

池田, 長康

北村, 岩雄

富井, 淳敏

小林, 満博

University of Toyama Repository

雷雲に お け る電気的構造のシミュレーショ ン 実験池田 長康， 北村 岩雄， 富井 淳敏， 小林 満博本� 1 . ま えが き送電系統や配電系統が雷雲の襲来により雷撃をうけた場合， 現在も短い聞の停電を回避することは出来ない。 電力会社を始め， 電力関係者は避雷と雷撃の予測に全力をあげている。 しかし 現在の観測は地上からであり， より確度の高い予測には雷雲の内部構造や時間的な発達に関する情報を得ることは極めて重要である。 にも拘らず， これらの情報は限られたもの以外， 殆どないように思われる。 しかも， これらを得ょうとすれば大規模な地上での観測網と立体的な観測が必要となるであろう。 我々はこれら雷雲の電気的構造に関する情報を実験室内で得られないかと言うことで研究を始めた。 しかし，どのように考えればこの雷雲の電気的構造をシミュレーションする装置が出来るのか分からないが，取り敢えず， 塩ビのチャンネルと発泡スチロールの粒子を用い， チャンネル各部に発生する電位で雷雲の電気的構造のシミュレーションを行うことにした。� 2 . 実験方法 と 装置この雷雲の電気的構造を調べるシミュレーションの装置は図lに示すように， 塩ビのチャンネルの中に霞粒子を模擬した発泡スチロールの粒子を上昇させ， チャンネル各部の電位を測定可能な装置とした。発泡スチロールの粒子は1 )下部からファンで吹き上げる場合と2 )上部から吸い上げる場合を考えた。発泡スチロールの粒子は上昇する気流と粒子の重きである高きで平衡状態を保つと考えたが， そのような位置は極めて不安定で粒子は上部か下部に集まってしまった。*電源開発株式会社- 23 U 11 0 Cコ 11 0 0 2 �・・トチャンネル図 1富 山大学工学部紀要第45巻 1994 � 3. 電位の測定 方法最初， 塩化 ヒ、ニ ー ル の チ ャ ン ネ ル に 3 mm ビ スを 5 c m置き に埋め 込み， こ の 電位を 振動型 の表面電位計で測定 した 。 しか し， 電位計が 1台 で あ るた め 各 ビ ス の 同 時測定は 出 来ず ， あ る測定点 と そ の 次の 測定 点 では 測定 ビ ス や チ ャ ン ネ ル 内 側 の帯電に よ る影響が あ り ， 初期 条件 を 揃え るこ と は 難 ししや む を え ず， ìMiJ定 を 終 え る毎に すべ て の 測 定 ビス だ け を すべ て 接地 した 。 しか し， チ ャ ン ネ ル 内 側 の帯電 に よ り デー タ の再現性が無か っ た 。そ の 後， 測定法 を 種々 検討 した 結果， チ ャ ン ネ ル に ビ ス を 埋め 込 む 必要は 無 く ， チ ャ ン ネ ル 外側 を接地 した 濡れ タ オ ル で 拭く こ と に よ り ， 内 側 の帯電の影響 も 無 く ， ポ リ ス チ ロ ー ル粒子 の帯電に よ る電位 を 測定す るこ と が可能であ るこ と が判 明 した 。 ま た ， こ れ に よ り 初期 条件 も 揃え るこ と が 出 来 るこ と も 分か っ た 。3 . 1 測定原理表面 電位計は 図 2 に 示 す よ う に ， 対象物電位 を 電位計の プ ロ ー ブの電極 を 一つ の極 と して ， コ ン デ ン サ­C 1 と 内 蔵す るコ ン デ ン サ - C 2 と に よ り 容量分圧 し，こ れ を 増幅す るこ と で 測定 して い る。こ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 実験では チ ャ ン ネ ル 内 側 の ポリ ス チ ロ ー ル粒子 の帯電だけ でな く ， 内 側 が摩擦帯電す るこ と に よ る電位 も 図 3 ( a ) の よ う に 測定す ること に な る。こ こ で， 粒子がすべ て 落 ちて しま っ た 後， チ ャ ン ネル 外側 を 接地 し た 濡れ タ オ ル で拭く と 図 3 ( b ) の よう に ， 外側 は 反対電荷が帯電 し， 電位 は 現 れ な く な る。こ の よ う な 状 況で再び粒子 を 吹き 上げ ると 図 3 ( c )  の よ う に ， 帯電 した 粒子 の電荷量 の み に よ る電位が測定可能 と な る。こ の よ う に チ ャ ン ネ ル の 壁 は 内側 と 外側 と で電気 2重 層 を な し， 電気 的 に は 遠 く ま で影響 を 及 ほ、 さ ず “透明 " と な る。 図 4 に は チ ャ ン ネ ル壁 内 側 に お け る帯電電荷の み に よ る電位 を 示 す 。 ま た ， 周囲の 鎖線 で 濡れタ オ ル で電気 2 重 層 を 形成 した 後 の 電位 を 示す 。外側iムfI 図 3 b) 24 図 2外側可今エ図 3 a) 外側一庁J: 図 3 c )  池 田 ・ 北村 ・ 富井 ・ 小林 :雷雲に お け る 電気的構造 のシミューレーショ ン 実験衝突摩擦に よ り 粒子 を 帯電 さ せ て い るの で， チ ャ ンネ ル材料 と 粒子 の 材料 に よ っ て 結果 に 差 異が生 じ ること を 考慮 し， 粒子 の材料は 発 泡ポ リ ス チ ロ ール を 用 い，チ ャ ン ネ ル材料に は 塩化 ビ ニ ー ル， ア ク リ ル と 発 泡ポリ ス チ ロ ー ル粒子 を 壁に 張 り 付け た も の を用 い た 。実際の 雷雲では 比較的低 い 高度 の 空気 層 の不安定 '生が上昇気 流 を 生 じ さ せ て い ると 考え ら れ るの で， 発 泡ポ リ ス チ ロ ー ル粒子 を 下部か ら フ ァ ン で 吹き 上げ る場合 に つ き 実験 を 行 っ た 。 しか し， こ の下部か ら フ ァ ンで 吹き 上げ る場合， チ ャ ン ネ ル 内 では 空 気 の 流 れ は 強〈 回転 し， 半径の 小 さ な チ ャ ン ネ ル では 発 泡ポ リ ス チロ ー ル粒子 と 壁 と が激 しく 摩擦 して い るこ と が観測 さ れ た 。 現実の 雷雲で は 上昇気 流 があ っ て も ， 別の物質 か ら な る壁が無 い の であ るか ら ， 出 来 るだ け 壁 と の 摩擦 を 避け た い ， こ の た め， 上部か ら 吸い上げ る場合 に つ い て も 実験 を 行 っ た 。 こ の場合， チ ャ ン ネ ル 内 では 比較的上方 に 流れ るこ と が観測 され た 。 行 っ た 実験 は 次の 通 り で あ る:( 1 )  ア ク リ ルチ ャ ン ネ ル を 用 い ， 下 部か ら 吹き 上げ る場合ア ク リ ルチ ャ ン ネ ル を 用 い ，い上げ る場合t孟化 ヒ、ニ ー ル チ ャ ン ネ ル を 用 い ，ら 吹き 上げ る場合塩化ヒ、ニ ー ル チ ャ ン ネ ル を 用 い ， 上部から 吸い 上げ る場合発 泡ポ リ ス チ ロ ー ル粒子 を 壁 に 張 り 付けた チ ャ ン ネ ル を 用 い ， 下部か ら 吹き 上げる場合。典型 的 な 測定結果 と して ， 図 5 a ) ， b ) ， c )  に ( 1 ) の場合に お け る下部か ら 5 cm， 15cm， 45cm の位 置の電位推移 を 示 す。o 1000 電位(V)図 4」 k(}十ili-­\・lla，f- U川HlaJ'p‘\a，，f 、、、 ATh JV今、t'A 100 § 椛Jþ[ 50 � 4. 電位測定結果a ) 図 5上部か ら 吸下部か(2)  (3) (5) (4) c ) 図 5Rυ ヮ“-b 図 5市山大学工学部紀要第45巻 1994 � 5 . チ ャ ンネル各部の電位の時間的推手多雷雲の高き方向各部 の 電位 の 時間的推移 に 相当 し ， 相似 さ せ た チ ャ ン ネ ル高き 方向各 部 の 電位 の 時 間 的推移 に つ い て各場合 に つ き ， 調べた 。( 1 )  ア ク リ ルチ ャ ン ネ ル を 用 い ， 下 部か ら 吹き 上げ る 場合こ の 場合 の 結果 を 図 6 a ) に示す 。 始め， 10 cm か ら 30cm が負に帯電 し ， 次第に ， 10cm 以下 が正 に帯電す る 。 こ の正電荷 は 比較的安定 であ る が， 負電荷 は 10cm か ら 40cm の 聞 で上下に 動謡して い る こ と が分 る 。 しかし， 大体 3 周期 の モ ー ド で あ る 。(2) ア ク リ ルチ ャ ン ネ ル を 用 い ， 上部か ら 吸い 上げ る 場合こ の 場合 の 結果 を 図 6 b ) に示す 。 始め， 直ぐ に 負 に 帯電 し ， こ れ が次第成長し， 15cm から 大 き く 負に 帯電す る 。 正電荷 は ( 1 ) の 吹 き 上げる 場合 に 比べ 小 さ い こ と が分 か る 。 40cm 以上の 位置では再び正 電荷が現れ て い る 。 負電荷の動揺 は 比較的小き く 中 心 に 集 ま る 傾向があ る 。(3)塩化 ヒ、 ニ ー ル チ ャ ン ネ ル を 用 い ， 下部から 吹 き 上げ る 場合こ の 場合 の 結果 を 図 6 c)に示す 。 始めゆ っく り 帯電 し て い る が， 帯電 し 始め る と こ れ が急速 に 成長し， O cm か ら 40cm ま での 大 き い 範囲に渡って負電荷が動揺す る 。 と 同 時 に 下層に 正電荷が 成長 す る 。 40cm 以上 の 位置 で は負電荷が小 さ く 残 っ て い る 。(4)  発泡ポ リ ス チ ロ ー ル粒子 を壁に張 り 付けた チ ャ ン ネ ル を 用 い ， 下 部 か ら 吹 き 上げる 場合こ の 場合 の 結果 を 図 6 d ) に示す 。 こ の 場合は正負の帯電が細 か く 分か れ て お り ， 電荷 の 集積が 明 確 では な い 。 し か し ， 下層に は 正電荷があ り ， 15cm か ら 35cm， 40cm の 位置に負電荷が あ り ， 1 m 以上ーの位置 に も 主 と し て負電荷が26 アクリル、 フアノを用いたときの電圧分布100 nu RU(EO)相陣Q担、費削開票1000V 図 6 a) アクリル、 真空ポンプを用いたときの電圧分布100 E uオU荘、b g 50 fI! 言。図 6 b) 塩化ビニール、 ファンを用いたとき白電圧分布100 E u巾哩戸、0 2 50 同軍500V 図 6 c )  玉付き塩化ヒFニール、 ファンを用いたとき白電圧分布-nUハU nunu nζ11「一こ3Jb官51安当一季。100V 図 6 d) 池 田 ・ 北村・富井 ・ 小林 :首雲に お け る 電気的構造のシミューレーショ ン 実験存在す るこ と が分か る。こ れ ら の 結果か ら ， 共通 した 事 柄と して ，( 1 )  下層 か ら 正電 荷， 負 電荷 と な り ， 上部 は 正 負 電荷や ほと ん ど電荷の な い場合が ある。(2) 負 電荷の領域は 電荷の動 き が極め て 活発 で、 あり， 発 泡ポリス チ ロ ー ル粒子 の動 き に 対応 して いる。前章 ま で の 結果 を 実際の 雷雲で測 定さ れ た 結果 と 比較 して 見 る。 高 橋の文献1)に よ ると ， 図 7に 再録して 示す よ う に ， 発達 フ ェ ー ズ， 成 熟フ ェ ー ズ， 衰退フ ェ ー ズ に 大別 き れ る。 しか し， 電荷量の高度依存性 は 各 フ ェ ー ズに よ っ て 異な り ， しか も ， 個々 の 雷雲に よ っ ても 違 い が ある 。 しか し， 各 フ ェー ズの 特徴 は 大 体1 ) 発達 フ ェ ー ズ に つ い て は 雲の下部 と 上部 に 負 電荷 を 持つ部分が形 成き れつつ ある。2 ) 成 熟フ ェ ー ズに 入 ると こ れ ら 負 電荷部が相互 に 増大 しな が ら 雲全 体に拡が り ， 幾つ か の部分に分か れ る。3 ) 衰退フ ェ ー ズに は こ れ ら 負 電荷部が 雲底よ り も 下方 に 降下 して く る。と い 7 こ と が言 え そ う で ある。 こ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は どこ ま でが発達 フ ェ ー ズ で あるが， 成 熟フェ ー ズで あるか， 衰退フ ェ ー ズ に な るか 分か り に く い が， 発達 フ ェ ー ズの場合に つ い て ， 図 7の実際の 観測 デー タ S - 6 と 前章 の (3)の場合 で ある塩化 ビ ニ ー ル チ ャ ン ネ ル を 用 い， 下部か ら 吹き 上げ た 場合の 図 6 c ) の16 秒後 の デー タ と 比較 して み る。 図 8 に は 両 方 の デー タ を 高 さ と 電荷量 を 無次元化 した も の を 示 す が， 驚く ほど傾 向 が一致 して い るこ と が分か る。 こ の 比較 に 際 して は 雲底と シ ミ ュ レ ーシ ョ ン の O 位 置を 一致 さ せ， 雲上部 を 40 cm と して い る。 電 荷量 は 最大 値を 1 と して い る。 こ れか ら40 cm が 2 km に 対 応し1 : 5000 の 比 と な る。こ の 結果か ら ， 5000倍 の ス ケ ー ルの 違 い を 超え ， 何か共通 の現象が あり ， 無次元化 した ある量が存在す るの では な い か と 考え ら れ る。� 6 . 実測値 と の比較検討Z2 2x-LF=o-uz 図 727 民1MM阻 低 記 帳 U色 濃10 ンf‘・日1df'YTX-式EX'〈;一nut--x'pl-J揃OKt、uA・ル期ル，xxk， k観測値"。一2 -1 0 無次元ft電荷2 図 8富 山大学工学部紀要第45巻 1994 � 7 . 結 び1 . 表面電位 計を 用い て ， チ ャ ン ネ ル 内 を 動 く 集 団粒子 の電荷 にも と ず く 電位 を 測定す ること が可青色で あ る。2 . 長 さ 2 m の チ ャ ン ネ ル で測定 さ れ た 上昇粒子 の 電荷に よ る電位分布 の構造と 10km に 及 ぶ 雷雲で実 際に 測 定 さ れ た 電位分布 の構造が極め て 良 く 似て い るこ と が分か っ た 。こ の よ う な 静電 的 な 実験は 実験条件に よ り 結果が大 き く 変 わ る可能性 を持っ て お り ， 今後， 初期 条件 を 揃え るな どし て 再現性の あ るデー タ を 出 し ， 結果 の信頼性 を 高 め て 行 き た い と 考え て い る。参照文献1 ) Tsutomu Takahashi， “Electric Charge Life Cy de in Warm Clouds" ]. Atmospheric Science V 01. 32， p. 123， 19 75. 。。ワ臼池 田 ・ 北村 ・ 富井 ・ 小林 : 雷雲に お け る 電気的構造のシ ミ ューレーション実験Simulation experiments of the electric structure in a thunder cloud Nagayasu Ikeda， Iwao Kitamura， Atsutoshi Tomii， Mitsuhiro kobayashi* ( *Electric Power Development Co.) Simulation experiments for examining the electric structure in a thunder cloud are carried. An apparatus of the experiments consists of the prastic resin channel and light vesicated beases of polystilene. A surface potential meter is used for measurement of the charges. It is found from the simulation experiments that the potential distribution of the channel has a positive charge region at the low position of it and a negative region at the middel position and the charge distribution of the beases is very similar to 出at of real thunder cloud. 〔英文和訳〕雷雲に お け る電気的構造のシミュレーショ ン 実験池田 長康， 北村 岩雄， 富井 j享敏， 小林 満博*(*電源 開 発 株式会社 )雷雲の 中 の 電気 的構 造を 調べ るた め に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 実験 を 行 っ た 。 こ の実験の装 置は プ ラ ス チック の チ ャ ン ネ ル と 発 泡ス チ ロ ー ル の 軽 い 玉か ら な っ て い る。 電荷の 測定 に は 表面電位計 を 用 い た 。こ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 実験か ら こ の チ ャ ン ネ ル の 電荷分布 は 下部が正電荷 であ り ， 中程は 負 電荷 を 持つ， そ し て こ の チ ャ ン ネ ルの電荷分布 は 実際の 雷雲の分布 と 非常 に 似 て い るこ と が分か っ た 。- 29 

雷雲における電気的構造のシミュレーション実験

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Simulation experiments of the electric structure in a thunder cloud

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