はじめに 雷−太古から存在し、洋の東西を問わず神話にも登場する人類と関わりの深い自然現象であることはいうまでもないが、最近まで分からなかったこと、そして今もって分からない事象も決して少なくない。成層圏上部から電離圏にかけて雷放電時に見られるブルージェットやスプライト、エルブスと呼ばれる高高度での発光現象が発見され、研究が行われるようになったのは最近である。雷雲、もしくは雷放電からの放射線発生を示唆する現象についても最近明らかになりつつある現象の一つである。 しかし、雷雲から放射線が放出される可能性について言及されたのは意外に古い。1925年に英国のC.T.R.Wilsonは大気中の放射性物質が放出するβ線の内、エネルギーが高いものは雷雲の高電界によって加速され、空気分子との衝突によって多量の２次電子や制動放射線が放出されると予測した (1)。当時はまだ宇宙線の由来が明らかになっていなかった時代である。Wilsonは雷雲の上部に正電荷が蓄積され下部に負電荷が蓄積されることから、大気中に放出されたβ線は上方に加速され、やがて地球磁場により曲げられて再び地上に降ってくる、これが宇宙線であると推測したようである (2)。 以後、少なからぬ研究者が雷雲もしくは雷放電からの放射線を測定しようと試みている。1930年代から1960年代にかけて、雷活動による放射線が「観測された」、「されない」という互いに相反する観測結果が示されている。しかし、当時の放射線計測技術の水準を考慮すれば、必ずしも雷活動に起因する放射線発生を裏付ける証拠はなかったといえよう。 しかし、ここ20年の研究から、以下に示すように、航空機や気球、人工衛星により雷雲中や雷雲上空でも放射線発生を示す事例が報告されてきている。また、国内でも冬季雷等で同様の事例が地上で観測されている。 １．雷からの放射線観測 米国のParksら (3,4)は、ジェット機の操縦席後部にNaIシンチレーション検出器を用いた放射線計測システム（Active)とシンチレータを取り外し光電子増倍管のみを取り付けたノイズ弁別用の計測システム（Passive）を搭載して雷雲内を飛行し、放射線強度の変動を測定している。彼らの測定結果をFig-1に示す。  Ｆｉｇ‐１ジエット機で測定された雷雲中での放射線変動の測定結果（４） また、同じく米国のEackらは気球にNaI検出器と電界強度計を搭載し雷雲に向けて放球し放射線強度と電界強度の同時観測を行っている。 Fig-2 に示すように、雷雲内の高電界領域で放射線の計数率が急激に上昇していることが分かる (5)。  Fig-2 気球観測により得られた電解強度と放射線測定結果の変動 これらの観測により得られた測定結果は、以下のようないくつかの共通した特徴を有している。 ・雷雲内においてＸ線強度（計数率）が1,2桁上昇する。しかし、Passiveシステムは有意な変動はない（ジェット機）。 ・Ｘ線強度が上昇した範囲は数100ｍ以上である（ジェット機：水平的な広がり、気球：鉛直方向の広がり）。 ・Ｘ線強度の上昇は雷放電より前に出現（ジェット機：数秒以上前、気球：〜１分）し、雷放電とともに下がる。 ・雷放電後、電界強度は復帰してもＸ線強度は追随しない事象もある（気球）。 ・計数率が上昇したＸ線のエネルギー領域は、数10keVが中心である。 一方、国内でも宇宙線研究グルーブと原子力発電所周辺の環境モニタリンググループにより雷活動に起因すると考えられる放射線強度の上昇に関する観測事例が報告されている。 乗鞍観測所（標高2,770m ）での宇宙線観測では、雷活動に起因すると考えられる宇宙線強度の変動が観測されている (6)。変動が見られた宇宙線は電子、陽電子、γ線のいずれかと考えられ、その時間は10分間程度である。 また、環境モニタリングでの放射線量（率）の変動はすべて冬の日本海側で発生する冬季雷の活動に起因すると考えられるもので、原子力発電所周辺に設置してあるモニタリングポスト等の環境放射線モニタの指示値上昇や一定期間の積算線量を測る熱ルミネセンス線量計（ＴＬＤ）等の線量上昇に関するものである (7,8,9)。 以下に、筆者らが観測した冬季雷活動時における放射線測定について述べる。 ２．もんじゆ周辺での観測 もんじゆ建設所周辺でのここ数年の観測において環境放射線モニタの指示値上昇が最も大きなものは、1997年1月29日に発生した事象である。このとき、建設所構内の５基、構外に設置されているモニタ１基の計６基の環境放射線モニタの指示値が上昇している。当日は敦賀半島一帯で雷が鳴り続けていたが、指示値が上昇したのは午前4時30分頃に発生した事象の１回だけであった (8)。 また、環境測定用に建設所構内各所に設置されているTLDや建物屋上・外壁に設置されているTLDを回収し測定したところ、これらの積算線量も平常の変動範囲を大きく上回るものが多数あった。  Fig.3 もんじゅで測定された雷活動によると考えられるTLDの線量上昇 Fig-3にそのときの環境測定用TLDと建物の外壁・屋上に設置したTLDの測定結果からその地点での平常値（平均値）を差し引いた線量上昇分を示す。ここで最も高い線量上昇を示したTLDの測定点は、もんじゆの最も北側に位置する建物の屋上と北東部の山腹である。これらの地点での線量上昇分はいずれも約0.1mGyと平常の変動範囲を大きく上回り、反対に南東側や谷間に設置した環境測定用TLDは平常値と比べて線量の変動は少なかった。TLDの設置期間は、建物周りで１週間、環境測定用は１ケ月程度であったため、必ずしもそのときの雷の影響とは断定できない。しかし、TLDの近傍に設置されている環境放射線モニタの指示値が大きく上昇したのは、TLD設置期問中そのときの１回だけであった。一方、建物内に設置されているTLDは全て平常の変動範囲内にあり、また建物周りのTLDについても屋上に設置したもの方が外壁側面に設置したものより高い値を示したことから、外からの、しかも上方からの放射線の影響によるものと考えられた (8)。 このようなTLDの積算線量まで平常の変動範囲を大きく上回ったのはこのとき１回だけであるが環境放射線モニタ（NaI検出器）の指示値が上昇する事象は、多いときで年に2,3回程度発生している。最近の事例として、2003年12月にもんじゆ周辺で発生した事象をFig-4に示す。図では互いに隣接する３基のモニタが線量率上昇を示している。  Fig.4 昨年12月13日にもんじゅ周辺で測定された雷活動によると思われる線量値（10秒値）の変動 このようなNaI検出器のモニタ指示値が上昇する事象は共通して以下に示すような特徴を有している。 ・モニタ指示値が上昇開始から最高値に達するまでの時間は数10秒程度であり、数10秒から１分程度で元の指示値に戻る。 ・複数のモニタが設置されているもんじゆ建設所構内の観測では、指示値の上昇開始時間は必ずしも同時ではなく、10〜20秒程度ずれることがある。 ・もんじゆ建設所構内の全ての環境放射線モニタの指示値が上昇したのは１回だけであり、多くは１基、ないしは数100mの距離で隣抜する2、3基である。 ・全て雷雲が周辺にあるとき発生しているが必ずしも落雷位置標定システム（LLS）により周辺地域での落雷が記録されている時聞と同時刻には発生していない。モニタの指示値上昇前後に落雷が記録されていない事象もある。 これらの特徴は、前節で述べた雷雲申で観測された亨象と似た特徴を示している。このことから雷雲中で観測される事象と冬季雷により地上で観測される事象は同根であり、雷雲中で下記のような事象が発生しているとも考えられる。 ・放射線強度の上昇は、個々の雷放電に伴うものではなく、雷雲内の電界強度が上昇したときに発生する。 ・放射線の発生領域は、数100m程度の範囲である。 ・モニタの指示値は時定数で元に戻っていると考えられるため、雷放電の発生によって高電界が消失したときに制動放射線の発生も停止 する。 では、どの程度の電界強度で放射線が発生するのか、また雷雲内に放射線が発生するほどの電界強度があり得るのか、以下に電界強度と放射線発生の関係についで記す。 ３．モンテカルロ計算による雷雲中での放射線挙動 3.1 雷雲中での電子の加速と制動放射線の発生 大気中で宇宙線などの高エネルギーの荷電粒子が雷雲などの電界によって加遠されるとするなら、高度ｚでの電界E(z)の場において、運動量pの荷電粒子が運動方程式  ヒＬ＝∂五（ｚ）−ブ（ｐ（ｚ），万） において、大気中での衝突による抵抗Ｆより大きい状態となる必要がある。 そこで、筆者らは、電子・光子輸送モンテカルロ計算コードEGS4 (10)に外部電界の影響を考慮したルーチンを作成し (11)、大気中に存在するエネルギーの高い電子、陽電子、光子（文献値 (12) ）等を線源として、これらの輸送計算を行い雷雲中での電子の加速と制動放射線の発生の可能性について計算した。 まず、大気中に一様電界を印可し、エネルギーが1MeVと10MeVの単色電子を入射させたときの電子、光子の挙動を求めた。その結果、電界強度が増加するにつれて空気分子との衝突により生成される２次電子の生成量が増え、制動放射線も増加し、一定の電界強度を超えると連続的に２次電子や光子が生成され、電磁シャワーが発生することが分かった。Fig-5に高度2kmに相当する大気密度 (13)での電子・光子の飛跡のシミュレーション結果を示す。高度2kmの場合、電界強度の“しきい値”は約230kV/mであり、様々な高度の大気密度での同様の計算から、高度ｚ［m］での大気圧Ｐ（ｚ）［atm］の場で約280P(z)［kV/m］を超えると電磁シャワーが連続して発生することが分かった (14)。これは、通常の絶縁破壊が起こる電界強度の約1/10である。 では、このような場が雷雲中に存在し、電磁シャワーが発生し得るかについて次節に示す。  3.2 雷雲のモデル化と電界強度分布 雷雲中では、温度が-10℃より上方の領域であられは負に帯電して負電荷の領域となり、あられより細かい氷晶は正に帯電し雲上部の広い領域に正電荷を分布させる。また、最下部の-10〜0℃の温度層では、あられは正に帯電して小さなポケット正電荷領域を形成することから、雷雲の電荷分布は基本的に３極構造を示すことが知られている。冬季雷についても、雷雲の成熟期初期には３極構造をしているが、冬季は上昇気流が弱いためボケット正電荷を形成するあられの滞空時問が短いとされている (15)。 そこで、冬季雷雷雲の電荷分布を円筒型の３極構造とポケット正電荷のない２極構造にモデル化し、高さ方向の電界強度分布を有限要素法により求めた。モデル化した２極構造と３極構造の冬季雷、及び３極構造の夏季雷の電界分布をFig-6に示す。ここで、夏季雷の電界分布は３極構造の冬季雷を参考に距離を変えて作成した。図から明らかなように、３極構造の冬季雷雷雲の場合は、雷雲最下部に位置するポケット正電荷領域付近で電界強度が200〜260kV/mと大幅に増加するものの、２極構造の場合は雷雲下部の電界強度は３極構造の場合ほど大きくはならない。  Fig.6 モデル化した２極、３極構造の冬季雷雷雲、及び３極構造の夏季雷雷雲の電界と電磁シャワー発生のしきい値th 3.3 トリガーとしての荷電粒子 雷雲の電界によって加速される可能性が最も高い荷電粒子として、２次宇宙線やRnの崩壊生成物が放出するβ線が考えられる。なかでもエネルギーの点から可能性の高い２次宇宙線電子、陽電子、γ線（荷電粒子ではないが、種々の相互作用で電子を放出する）を線源とした雷雲の高電界領域での挙動に関する計算結果を以下に示す。 また、主要な宇宙線として正負の電荷を持つミュオンがあるが、電子の質量に比べて約200倍も重いことから、雷雲の電界強度では加速の影響は少ない。しかし、ミュオンからのノックオン電子や崩壊電子はミュオンの線束密度を考慮すれば無視できない。そこで、ミュオン及びノックオン電子の加速等を評価するため、GEANT4コード (16) を用いてこれらの粒子の挙動を計算した。この宇宙線ミュオンの影響についても以下に触れる。 3.4 モンテカルロ計算による放射線挙動 ２次宇宙線の電子、陽電子、光子を線源とした場合の光子束の高度別変化をFig-7に示す。  Fig.7 電界がない場合(w/oE-field)、及び２極（２P) 、３極（３P)構造の冬季雷雷雲中に宇宙線の電磁成分(光子、電子・陽電子）が入射したときの光子束の高度分布 (14) ３極講造の冬季雷雷雲をモデル化した場合、高度1km付近の高電界領域において急激に光子束が増加している。電子、陽電子、光子のいずれの粒子が線源であっても雷雲下部の高電界領域（高度１〜1.5km）で光子束は上昇する。これは地表に向けて降下してくる間にほとんどが相互作用により光子と電子の平衡状態に達するためである。また、Fig-8に示す高度1kmでの光子のエネルギースペクトルから分かるように10MeV以下のエネルギー領域で光子束が大幅に増加している。 これは10MeV程度までの電子が雷雲の電界により擾乱を受けて加速され、空気分子との衝突により生成された２次電子も加速されエネルギーを獲得することにより、電子・光子の電磁シヤワーが発生するためである。一方、〜100MeVから数GeVの高エネルギー宇宙線は、雷雲の電界から獲得すろエネルギーの増加分がそれほど大きくないため顕著な上昇は見られない。 また、Fig-7、Fig-8には電界がない場合と２極構造の冬季雷雷雲をモデル化した場合の計算結果も図示したが、低高度ではほとんど変わらない。このことから、雷雲の成熟期初期に形成される３極構造の雷雲でポケット正電荷が上空もしくはその近傍にある場合に発生した制動放射線の一部が地上で観測されるのではないかと思われる。実際に、冬季雷の発生数は多いものの、放射線量率が上昇するのはまれであること、また発生してもほとんど数100mの範囲でしか検出されないのは、このためであると考えられる。 一方、夏季雷については、Fig-6の電界強度分有の計算結果に示すように、高電界領域が高度4〜5km付近と冬季雷の雷雲に比べて高く、電子が連続的に加速される電界強度のしきい値Ethを超える位置も高くなる。電子は高電界領域を過ぎると急速に滅衰し制動放射線の飛程も1km程度であることから、夏季雷では雷雲内や雷雲上空では観測されても、距離による減衰のため地上まで達しないと考えられる。 また、大気中に存在する高エネルギー荷電粒子として、２次宇宙線の主成分であるミュオンも無視できない。そこで、宇宙線ミュオンの挙動について計算した結果、ミュオンが大気中の空気分ｒと衝突して生成されるノックオン電子が高電界領城において加速され、光子束が急激に増加することが分かった。計算値として宇宙線スペクトル（文献値17））を考慮した正ミュオンを高度12kmから下方放出させたときの計算結果をFig-9に示す。図から明らかなようにミュオンは透過性が高くそれほど滅衰せずに雷雲の高電界領域に進入してノックオン電子を放出する。このため、光子（γ線）束は、電子・光子を人射した場合と同様に、高電界領域で大幅に増加している。このことから、高電界領域に直接電子を持ち込む宇宙線ミュオンの影響は無視できず、むしろ雷雲電界内での電磁シャワーの発生に大きく寄与しているものと考えられる。  Fig.9 高度12kmから宇宙線ミュオンが入射したときのミュオン光子の粒子束分布 ４．おわりに 以上、雷雲からの放射線観測に関する事例を紹介するとともに、筆者らが行っている放射線発生機構に関する研究を中心に概説した。 ここ20年の問に、雷からの放射線の発生過程に関する埋論的な研究や観測に関して様々な研究が行われてきている。特に高高度での発生過程については、スプライトなどの発光現象と併せて様々な理論解析がなされている。 一方、地上でもロケット誘雷実験において大電流が流れる帰還雷撃直前のリーダー進展時にミリ秒以下の短時間の雷放電に伴う放射線バーストが観測されたという報告もある (18)。さらに、宇宙線研究の分野でも、ロシアやイタリア等の研究グループにより精力的に観測結果が報告されつつあり、山岳地域も含めた地上での観測が盛んになりつつある (19,20,21)。 これまで雷雲からの制動放射線（光子）の発生について述べてきたが、筆者らの計算では、制動放射線の“種”ともいうべき高エネルギー電子が雷雲内の高電界領域で光子以上に急激に増加していることが分かった。これは、雷雲内の電気伝導率を上昇させることにもつながることから、２次宇宙線などの放射線がトリガーとなって雷放電を引き起こしている可能性が示唆される。前述のように、室内実験で絶縁破壊を起こす放電開始電界は3MV/mであるが、実際に電界強度計を搭載した気球等による雷雲内の観測では、それほどの高い電界強度は測定されていない、むしろそれより１桁以上低い値しか観測されていない (22)。このため、なぜそのような低い電界強度で雷放電が発生するかはまだ分かっていない。何やら“ニワトリと卵”みたいな話ではあるが雷放電の開始に放射線が関写している可能性も考えられる。 “雷と放射線”というミステリアスな関係を解明するには、まだまだ長い道のりが必要かも知れないが、大気電気、超高層物理、宇宙線、そして環境放射線等々の様々な分野からのアプローチによる観測事例の積み重ねが、雷からの放射線発生や雷放電開始メカニズムの解明に向けて一歩一歩着実に前進させていくと考えている。 参考文献 1) C.T.R.Wilson,The acceleration of β-particles in storong eletric fields such as thoe of thunderclouds,proc.Cambridge Phnos.Soc.,22,534(1925) 2) 早川、「宇宙線」，筑摩書房(1972) 3 G.K.Parks, B.H.Munk, R. 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