雷聲為什麼有「劈啪」和「隆隆」兩種？
― 聲音在一瞬間產生，卻花好幾秒才傳到耳朵
雷聲是在閃電亮起的那一瞬間，從整條通道同時產生的。可是聲音卻會響上好幾秒。近的雷聽起來像尖銳的撕裂聲，遠的雷聽起來像低沉的怒吼。造成差別的不是雷本身，而是它到你耳朵的「路程」。
夏天傍晚，窗外突然一閃。你數著 1、2、3……不久，一陣低沉的「隆隆隆……」傳來。聲音遲遲不結束，持續了 5 秒、10 秒。
另一天，雷就落在附近。幾乎在閃光的同時，傳來「劈啪！」一聲，像天空被撕裂般尖銳。
明明是同一種雷，為什麼聽起來差這麼多？而且閃電只有一瞬間，聲音為什麼會持續那麼久？
原因只有兩個
閃電的通道有好幾公里長。聲音從整條通道同時發出，但各處到耳朵的距離不同。近處的聲音先到，遠處的聲音後到，所以聲音被拉長了。
空氣越容易吸收高音，把它減弱。遠處的雷，造成尖銳感的高音在途中就消失了。耳朵只剩下低音，於是聽成「隆隆」。
也就是說，耳朵聽到的並不是雷發出的原本聲音，而是經過路程拉長、削減之後的聲音。我們一個一個來看。
一瞬間的聲音，為什麼能持續好幾秒？
閃電亮起時，通道裡的空氣在一瞬間被加熱到極高的溫度。被加熱的空氣急速膨脹，把周圍的空氣推開。這個被推開的震動，就是雷聲的真面目。
這裡的重點是，聲音是從通道的整條路徑幾乎同時發出的。閃電從地面一直延伸到雲裡，垂直長達數公里。靠近地面的部分離你近，雲裡的部分離你遠。
聲音的速度約為每秒 340 公尺。跟光比起來非常慢，所以距離的差別會直接變成「抵達時刻的差別」。請看圖 1。靠近地面處的聲音最先到，最頂端的聲音最後到。在這之間，途中各處的聲音會陸續傳來。
在圖 1 中讓雷靠近，兩條線的長度差會變大。這是因為落在附近的雷，接近正上方的頂端和腳邊的底部，距離差很大。反過來，遠處的雷這個差就變小。
不過實際的閃電不只是一條垂直線。它在雲裡會橫向分叉好幾公里，這些分支也會發出聲音。被山和建築物反彈回來的聲音，也會晚一點疊加進來。所以即使是遠處的雷，隆隆聲也常常持續很久。
遠處的雷，為什麼是低沉的「隆隆」？
雷發出的聲音，混合了從高音到低音的各種成分。在近處聽，高音造成尖銳感，聽起來像「劈啪」「啪嚓」般的撕裂聲。
然而空氣會一點一點吸收聲音，把它變成熱。而且越高的音，被吸收得越多。走過數公里的路程後，高音先減弱，只剩下低音。請看圖 2。左邊近處的雷，是尖尖的銳利波形。右邊遠處的雷，則是稜角被磨掉的平緩波形。
另外還有耳朵這邊的原因。人耳不容易感受到非常低的聲音。據說雷聲中也含有低到耳朵聽不見的聲音。遠處的雷「聲音不大，窗戶卻嗡嗡震動」，一般認為就是這個緣故。
光幾乎瞬間就到，聲音每秒前進約 340 公尺。數一數從閃光到聽見聲音的秒數，除以 3，就是大約的距離（公里）。9 秒就是約 3 公里。至於遠方聽不到聲音的閃光，據說是聲音在傳到之前就減弱了，或是向上空彎曲而逃走了。
那麼，該怎麼辦？
能聽見雷聲，代表那道雷就在聲音能傳到的範圍內，也就是十幾公里以內。日本氣象廳也呼籲，聽到雷聲就表示落雷迫近，要立刻到安全的地方避難。請不要以為「只是遠處的隆隆聲，沒關係」。
- 一聽到隆隆聲，馬上躲進建築物或車子裡不要停留在沒有屋頂的地方或空曠的原野。
- 不要靠近高大的樹木和電線桿不要躲在樹正下方避雨。要離樹幹和樹枝 4 公尺以上。
- 最後一次聽到雷聲後，約 30 分鐘內不要外出就算聲音遠去，也不要馬上放心。
請立刻撥打 119（日本的緊急電話）通報。被雷擊中的人身上不會殘留電流，碰觸也不會觸電。如果沒有呼吸，請依照指示進行胸外按壓，附近有 AED（自動體外除顫器）就使用它。救援的人如果雷還在持續，也要先確保自己的安全。
總結
雷聲在閃電亮起的一瞬間，從整條通道同時產生。它能響上好幾秒，是因為通道各處到耳朵的距離不同，抵達的時刻因此錯開。遠處的雷聽起來低沉，是因為高音被空氣吸收，在途中先減弱了。
隆隆聲的長度，就是閃電的長度。
聲音的低沉，就是它有多遠。
想知道「用閃光到聲音的秒數測距離」的原理，請看「一次閃電的能量，能供一個家庭用多少電？」；夜晚遠方的聲音為什麼聽得特別清楚，請看「為什麼夜裡，遠處的聲音聽得特別清楚？」；如何保護自己不被雷擊，也請參考「打雷時，為什麼不能躲在樹下？」
- 在打雷的日子，務必待在建築物內，數一數從閃光到開始聽見聲音的秒數。
- 接著再數聲音從開始響到消失的秒數，並記下來。
- 記錄幾次後，比較「開始前秒數短（近）的雷」和「秒數長（遠）的雷」，聲音的尖銳和低沉有什麼不同。
觀察請在遠離窗戶的室內進行，不要外出。你會發現越近的雷，開頭越夾著尖銳的聲音；越遠的雷，則只剩低沉的悶響。
給想知道更多的人 ― 術語・算式・與課本的連結從國中理化到大學專業課程，都會標明是哪個程度的內容
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「物理基礎・物理」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（聲學・大氣物理學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教、目前研究者還在探討的話題
國中術語：這個現象有名字
- 雷鳴：雷的聲音。閃電通道上的空氣被急速加熱而膨脹，把周圍推開，就產生了雷鳴。
- 音速：聲音在空氣中前進的速度。氣溫 15℃ 時約為每秒 340 公尺，氣溫越高會稍微快一點。
- 聲音的吸收：空氣把聲音的能量一點一點轉成熱，使聲音減弱。越高的音被吸收得越多。
國中高中用算式確認：隆隆聲會持續幾秒？
在與圖 1 相同的條件下，假設雷落在 3 km 外，通道向正上方延伸 4 km。我們來計算最近的底部和最遠的頂端，聲音抵達時刻的差。
| 用符號寫 | T ＝ ( √( d² ＋ h² ) − d ) ÷ v |
| 用文字寫 | 持續時間 ＝（到頂端的距離 − 到底部的距離）÷ 音速 |
| 這個式子從哪來 | 聲音以固定速度前進，所以「所需時間 ＝ 距離 ÷ 速度」。整條通道同時發出聲音，因此抵達時刻的差只由距離的差決定。到頂端的距離用畢氏定理求得。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| T | 聲音持續的時間（秒） |
| d | 到落雷處（底部）的水平距離（m） |
| h | 通道的垂直高度（m） |
| v | 音速（m/秒） |
| 到落雷處的距離 d | 3 km（3000 m） |
| 通道高度 h（到雲中累積電荷處） | 假設為 4 km（實際上據說約數公里） |
| 氣溫 15℃ 時的音速 v | 每秒約 340 m |
| 由氣溫求音速（0.6 × 氣溫） | 0.6 × 15 ＝ 9 |
| 加上 0℃ 時的速度 | 331.5 ＋ 9 ＝ 340.5 |
| 距離的平方 | 3 × 3 ＝ 9 |
| 高度的平方 | 4 × 4 ＝ 16 |
| 兩者相加 | 9 ＋ 16 ＝ 25 |
| 到頂端的距離 | 25 的平方根是 5 km（5000 m） |
| 第一個聲音（底部）抵達需時 | 3000 ÷ 340 ≒ 8.8 秒 |
| 最後的聲音（頂端）抵達需時 | 5000 ÷ 340 ≒ 14.7 秒 |
| 持續時間 T | 14.7 − 8.8 ＝ 5.9 秒 |
閃電只有一瞬間，光是垂直 4 km 的長度，就能讓聲音拉長到約 6 秒。如果閃電在雲裡橫向分叉超過 10 km，算起來隆隆聲甚至可能持續數十秒。
高中高中＋音速，以及聲音彎曲的原理
高中空氣中的音速大約可以用「331.5 ＋ 0.6 × 氣溫（℃）」公尺每秒表示。音速由空氣的溫度決定，空氣越溫暖，傳得越快。
高中＋白天越靠近地面越暖，所以聲音會向上彎曲，往天空逃走。這叫做聲音的折射。雷鳴大致在十幾公里以外就聽不清楚，據說除了吸收之外，也是因為這種折射在地面形成了聲音到不了的「聲影區」。
大學從衝擊波到聲音，以及大氣的吸收
閃電的通道據說在數微秒內就被加熱到約 3 萬℃，其膨脹一開始以衝擊波的形式擴散。衝擊波前進數公尺就會減弱，變成普通的聲波。之後的傳播中，空氣黏性與熱傳導造成的古典吸收，以及氧分子、氮分子的振動弛豫造成的吸收會發生作用。吸收係數大致與頻率的平方成正比增大，所以越遠的雷鳴，只剩越低的成分。也有研究是從雷鳴抵達時刻的分布，反推通道的形狀。
📖 算式的推導與更進一步的內容：雷鳴（維基百科） ／ 音速（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 耳朵聽不見的低音從何而來 雷鳴中所含的非常低的聲音，究竟只是由熱膨脹產生，還是雲中的電力也有參與，據說仍在爭論。
- 從聲音畫出閃電的形狀 有人嘗試用幾支麥克風錄下雷鳴，重現通道的立體形狀。能多準確地畫出雲中看不見的分叉，仍在研究途中。
- 冬季雷的聲音 日本海一側的冬季雷，據說性質與夏季的雷不同。聲音聽起來有什麼差別，還沒有被詳細研究。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。隆隆聲的長度與低沉的大致道理是確定的，但細微音色的原因，仍有尚未找到答案的部分。
與課本的連結（依程度分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 國一理化「聲音的性質」 | 用閃光到聲音的秒數算出距離 |
| 高中 | 物理基礎「聲波」 | 音速與氣溫的關係、時刻差的計算 |
| 高中＋ | 物理「波的折射」 | 雷鳴傳不到的「聲影區」 |
| 大學 | 聲學・大氣物理學 | 衝擊波、古典吸收與振動弛豫 |
| 研究 | 大氣電學 | 低音的產生機制、用聲音重現通道 |
| ― | 與生活的連結 | 聽到雷鳴就要立刻避難的理由 |
- Japan Meteorological Agency (気象庁)「雷的觀測與統計」
- 日文版維基百科「雷鳴」
- Rakov, V. A. & Uman, M. A. "Lightning: Physics and Effects", Cambridge University Press, 2003
- Few, A. A. "Power spectrum of thunder", Journal of Geophysical Research, 1969
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台) 編《理科年表》Maruzen Publishing (丸善出版)（音速的數值）
※本文是為一般讀者寫的科學解說。文中數值是為了理解原理而給的概略估計。遇到打雷時，請依照日本氣象廳的資訊，以及消防、地方政府等的指示行動。