雷や花火はレーダー画面に映りますか

質問

稲妻や打ち上げ花火による大気の電離は、多少なりとも電波を反射する筈ですが、実際のところ捉えられるレベル（濃度、周波数特性）でしょうか。
以前より興味を持っているものの、レーダ業務には縁遠く、またネット検索すれど解決しません。ご覧になった方はおいででしょうか。宜しければバンド等も教えてください。

回答No.4

reglus

No1です。

電磁気学にお詳しいようですね。

＞雨雲で電波が反射されるのは、帯電や電離が原因では無くて、伝播経路の特性インピーダンスの不整合によるものだと理解していました

インピーダンス不整合の電磁波干渉の話は、よく教科書に載っていますね。インピーダンスは、私の理解では固体の導線などにおいての「マクロ的」な概念です。気体や、それに準じた系に適用可能かどうかは知りません（直感的には出来ないと思います）。

雨雲レーダーについては、確かそんな感じだったカナ？と思っていましたが、調べてみると、単に雨粒自体を観測してるようですね。
http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/radar/kaisetsu.html

放電時間については、なんとも。イメージ的には難しいように思いますが、質問者さんの言われる通りかもしれません。

逆バイアスは、プラズマ以外の影響を排除するためですね。電源切っただけではプラズマ化しなかったイオンの作用を打ち消せないんじゃないかな？と思っただけです。実際どうなのかはわかりません。

お礼

ご回答ありがとうございます。しかし感覚的な隔たりがあるようです。
電波伝播において、電界と磁界の比を特性インピーダンスと呼ぶのは極く普通の事だと思いますよ。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%B9%E6%80%A7%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%BC%E3%83%80%E3%83%B3%E3%82%B9
そこにも「電磁波の特性インピーダンスは、真空を含む誘電体 (通常は大気等) における電磁波の伝播に関する概念である。」と記されています。

たとえ雷雲規模であってもその帯電の密度は僅かなものです。一辺 100m の立方体に、仮に 100 [C] 帯電したとしましょう。イオン化している分子の比率は 10のマイナス10乗のオーダーになりませんか。しかも電子はマイナスイオンとして捕捉され、慣性質量を増している。このような状態では配向分極比誘電率80の水粒を上回る効果を電波に与える事はできないでしょう。

一方で、稲妻は非常に高い密度の電離で、かつ電子が遊離しています。花火の燃焼ガスもそうだと思うのです。

回答No.3

reglus

No1です。最初の説明じゃよくわかりませんね。ごめんなさい。

稲妻がプラズマを起こして・・・というのでしたら話が逆です。
静電気が蓄積することによって電位差が発生し、その影響で大気がプラズマ化した結果、稲妻という放電が発生するだけです。
加えて、稲妻が大地と接点を作ってしまいますのでイオン化が解かれ、プラズマは指数関数的に減衰します。
ミリセコンドオーダーですので、ほぼ一瞬で電位が平衡状態になりますよね。

プラズマですので、内部の電子は当然励起されており、それによって周囲の大気をイオン化することはありえます。ですが、時間がミリですし、そのプラズマ以外の継続的な要因（プラズマが発生する状況を作り出している電位差）が大気のイオン化を行なっていますので、区別ができません。

流星散乱は持続的に行われ、他の要因が存在しないために観測出来るものです。稲妻とは違います。

ですのでアクティブレーダーを使って稲妻自体を観測する試みは行われていないはずです。これで回答になりますでしょうか。

人工的に稲妻を作り出し、光った瞬間に逆バイアスをかけて電位差を打ち消し、高感度なレーダーを用いて稲妻自体のプラズマを観測することは原理的には可能です。何の意味があるか分からないので、誰もしないと思いますが・・・。

お礼

ご回答ありがとうございます。No1にいただいた文章を含め、いくつか確認したい事があります。

＞まず電離現象ですが、基本的に電荷（陰陽問わず）の蓄積（電圧）によって発生します。電離現象の発生している点では電磁波が干渉することはご存知のとおりです。
＞この仕組を使って、雨雲を観測するレーダーがありますよね。

「この仕組」という展開が釈然としません。雨雲で電波が反射されるのは、帯電や電離が原因では無くて、伝播経路の特性インピーダンスの不整合によるものだと理解していましたが違うのでしょうか。単に水滴の誘電分極により、その空間の誘電率が乾燥大気と異なる為だと思いますが、如何でしょう。

＞稲妻がプラズマを起こして・・・というのでしたら話が逆です。
＞静電気が蓄積することによって電位差が発生し、その影響で大気がプラズマ化した結果、稲妻という放電が発生するだけです。

「稲妻がプラズマを起こす」というニュアンスの記述はしていないつもりです。稲妻そのものがプラズマですよね。良導体で、金属のように電波を反射しても不思議はなさそうです。
代表的主放電は100μs 程度と短時間でしょうが、数十ms 間隔での多重雷撃は、経路の電離が即座に中和されていない証でしょうし、また冬季雷には数百ms の持続放電があると聞きます。このような継続時間の良導体が存在すればエコーとして観測されそうに思えるのです。

＞人工的に稲妻を作り出し、光った瞬間に逆バイアスをかけて電位差を打ち消し、高感度なレーダーを用いて稲妻自体のプラズマを観測することは原理的には可能です。

この逆バイアスの目的について、ご説明願えないでしょうか。

回答No.2

TT414

TVの天気予報で雷レーダーという言葉を聴いたことが無いのですか？
私は十年ほど前から、年に数回は聞いています。

お礼

ご回答ありがとうございます。
ご紹介の「雷レーダー」ですが、雷の発する電磁波の到着時間差を検知したり、地表近くの誘導電流を検知したり、あるいは積乱雲の発達をレーダー観測するものだろうと認識しておりました。誤りでしょうか。私の疑問は稲妻や花火の電離ガスがレーダーエコーとして観測されるかという所にあります。

回答No.1

reglus

こんばんは。

電波を反射する、というとアクティブレーダーということでしょうか。

まず電離現象ですが、基本的に電荷（陰陽問わず）の蓄積（電圧）によって発生します。電離現象の発生している点では電磁波が干渉することはご存知のとおりです。
この仕組を使って、雨雲を観測するレーダーがありますよね。

では稲妻はどうかですけど、メカニズムを考えれば分かると思います。

雷の電位から発生する静電界強度では空気が絶縁破壊しますので電気の通り道が出来、結果としてデンドライト形状の稲妻が生まれます。この経路では電荷の蓄積は起こりません。蓄積がないのなら稲妻自体が起こす電離はありえないことになりますので、稲妻が電磁波に干渉することもないはずです。

空気は理想気体ではありませんから、絶縁破壊しても抵抗は失わず、実際には電離しますが、雨雲内で起きている状態に比べれば微々たるものでしょう。

ですので、アクティブレーダーで観測することは出来なくはないけれど、現実的ではない、という答えになると思います。雷レーダーと俗に呼ばれるものは静電界強度自体を測定しています。

打ち上げ花火はどうでしょう？いろいろな要素が絡みますよね。こちらはよくわからないです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
「蓄積」がご意見のキーワードかと拝読しましたが、真意が掴めませんでした。すみません。私の関心は、大地と雲の帯電では無く、稲妻のプラズマとしての良電導状態です。流星散乱通信のように電波の反射が見られるかが興味の対象です。
確かにご紹介の雷レーダーは紛らわしいですね。この質問はマイクロ波のレーダーエコーに関するものです。表題どおりの素朴な疑問であって、応用を意識したものではありません。