雷雲上空で発生する光現象：スプライト、ブルージェット、ELVEsの科学
はじめに：高層大気放電（TLE）とは
高層大気放電（Transient Luminous Events: TLEs）とは、地上から約20kmより上空、主に成層圏や中間圏において、雷雲の活動に伴って発生する様々な形状の光現象の総称です。これらは1989年に初めて明確に捉えられ、それまでUFOの目撃談などとして扱われることもあった未知の現象でした。雷雲の活動、特に強力な雷放電が、雲のさらに上空の大気に影響を与え、瞬間的な発光を引き起こすと考えられています。TLEsの研究は、対流圏の雷活動と、それよりもはるかに高い高度の大気や電離圏との結合を理解する上で重要な科学的意義を持っています。主な種類として、スプライト、ブルージェット、ELVEs（エルヴス）などが知られています。
高層大気放電の主な種類とその特徴
高層大気放電は、その発生高度、形状、持続時間、色などによっていくつかのタイプに分類されます。
スプライト (Sprites)
最もよく知られているTLEの一種です。雷雲の上空約40kmから90kmの高度にかけて発生し、その形状はしばしばクラゲやニンジンに例えられます。上部が広がり、下部に向かって細い発光（ストリーマー）が伸びる構造をとることが多いです。発光の色は、主に窒素分子の励起によるもので、上部が赤みを帯び、下部が青みがかる傾向があります。持続時間は非常に短く、ミリ秒オーダーです。強い正極性の地上雷（正電荷を地上に運ぶ雷）にしばしば関連して発生することが観測されています。
ブルージェット (Blue Jets)
雷雲の頂上から上方に向かって噴き出すように伸びる、青い円錐形の発光です。発生高度は雷雲頂上（約15km）から始まり、約40km程度の高度まで到達します。スプライトに比べて数は少ないですが、その速度は比較的高速で、持続時間は数百ミリ秒程度です。その色は主に窒素分子イオンの発光によるものです。
ELVEs (Elves)
大気圏の最も高い高度、約90km付近で発生するドーナツ状の淡い発光です。これは、強力な雷放電によって発生した電磁パルス（EMP）が電離圏下部の電子を励起し、瞬間的に広範囲を光らせる現象です。その発光は非常に短く、ミリ秒以下で消滅します。雷放電に伴うEMPが球状に伝播し、電離圏下部と相互作用することで円環状の発光領域が形成されると考えられています。
高層大気放電の物理的発生メカニズム
これらの高層大気放電は、対流圏の雷雲における電荷分布と放電活動に密接に関連しています。
雷雲による上空の電場形成
発達した積乱雲では、雲の内部で電荷分離が進み、一般的に雲の上部に正電荷、下部に負電荷が蓄積されます。地上雷は主に雲の下部の負電荷が地上に流れる放電ですが、TLEsに関与するのは、雲の上部の正電荷、特に強い正極性の地上雷や雲内放電であると考えられています。このような強い雷放電が発生すると、雷雲の電荷分布が急激に変化し、その結果、雲の上空の高抵抗な大気中に非常に強い電場が瞬間的に形成されます。
大気の誘電破壊と電離波
高層大気の密度は地上よりもはるかに低いため、比較的弱い電場でも大気分子の電離や励起が起こりやすくなります。雷雲活動によって上空に形成された強い電場が、この高層大気の電気的な絶縁性（誘電性）を破壊し、放電現象（プラズマの生成と伝播）を引き起こします。
- スプライトのメカニズム: 強い正極性地上雷が発生すると、雷雲上空の電場が急激に強まります。この電場によって大気中の電子が加速され、周囲の分子に衝突してさらに電子を生成する「電子なだれ」が発生します。これが進行すると、プラズマ化した細い筋（ストリーマー）が形成され、上空へ向かって伝播します。多数のストリーマーが集まってスプライトの観測的な形状を形成します。その発生は、雷放電による地上電場の急激な変化と、これに応答する上空の電場増強が鍵となります。
- ブルージェットのメカニズム: ブルージェットは、雷雲頂部から始まる特殊な放電と考えられています。雷雲内部の電場が雲頂を突き抜けて上空に伸びることで発生すると推測されていますが、その詳細なメカニズムはまだ研究途上にあります。比較的遅い速度で上空へ伝播する放電の性質を持つと考えられています。
- ELVEsのメカニズム: ELVEsは、雷放電に伴う急激な電流変化によって発生する強力な電磁パルス（EMP）が原因です。特に、水平方向に広がる雲内放電などが強いEMPを発生させやすいとされています。このEMPが光速で広がり、約90km付近の電離圏下部に到達すると、その場の電子密度が高い領域の電子を加熱・励起し、瞬間的な発光を引き起こします。EMPの波面が電離圏下部と交差する領域が、観測される円環状の発光として捉えられます。
関連する科学分野と観測手法
高層大気放電の研究は、大気物理学、プラズマ物理学、電磁気学など、複数の科学分野に跨がる領域です。その観測には、超高感度カメラや光度計を用いた光学観測、雷放電に伴う電波放射を捉えるVLF（超長波）/ELF（極超長波）帯の電波観測、さらには衛星からの観測などが用いられます。これらの観測データと、プラズマ物理モデルや大気電気学モデルを用いた数値シミュレーションを組み合わせることで、現象の詳細なメカニズム解明が進められています。
最新の研究動向
近年の研究では、高層大気放電の発生頻度や、特定の気象条件（台風やハリケーンなど）との関連性、地球温暖化による雷活動の変化がTLEsに与える影響の可能性などが議論されています。また、地球以外の惑星大気における放電現象（例えば金星や木星）との比較研究も行われており、宇宙における大気電気現象の普遍性を探る視点からも注目されています。これらの研究は、地球大気の上層部と下層部のエネルギーや物質の輸送、さらには地球全体の電気回路や気候システムへの影響を理解する上で、重要な情報を提供しています。
まとめ
スプライト、ブルージェット、ELVEsといった高層大気放電は、雷雲活動によって誘発される興味深い大気電気現象です。対流圏の雷放電が、その上空の成層圏や中間圏といったはるかに希薄な大気に電気的な影響を及ぼし、様々な形状の光現象を引き起こします。これらの現象の理解は、地球大気の電気的な環境や、大気圏各層間の相互作用を深く理解するための重要な鍵となります。現在も世界各地で観測と理論研究が進められており、その全容解明に向けた努力が続けられています。