Studies on electron acceleration and multiplication in lightning by a ground-based array of small dosimeters

• Project/Area Number: 20K22354
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0203:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Osaka University (2021); Institute of Physical and Chemical Research (2020)
• Principal Investigator: WADA YUUKI 大阪大学, 工学研究科, 助教 (40879144)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 地球ガンマ線フラッシュ / 雷放電 / 電場加速 / 雷雲 / 高エネルギー大気現象 / 放射線 / 長波帯 / 放射線計測 / 電波計測 / 線量計 / ガンマ線 / 電子加速

Outline of Research at the Start

雷放電ではその強電場領域において電子がメガ電子ボルトのエネルギーまで加速・増幅され、その制動放射線が地球ガンマ線フラッシュ (TGF) として、宇宙あるいは地上で観測されている。しかし、濃密な大気中でどのように電子が獲得され、さらに宇宙でも観測可能なほどの電子数まで増幅されるのか、わかっていない。そこで本研究ではTGFが地上で観測されている北陸地方の冬季雷に着目し、新規に開発する小型の線量計を複数台のアレイとして設置し、TGFによる地上での線量分布を測定する。この測定結果と放射線輸送シミュレーションとの比較から、雷放電における電子の加速・増幅メカニズムを明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

Thunderclouds and lightning discharges are know to sometimes cause high-energy atmospheric phenomena. Terrestrial gamma-ray flashes (TGFs) are an instantaneous gamma-ray emission of several hundred microseconds synchronized with a lightning discharge, a phenomenon in which electrons are accelerated and multiplied to relativistic energies by lightning discharges. However, the mechanism of electron acceleration and multiplication in a dense atmosphere has not yet been clarified. In this work, we developed a small detector for ground-based observation of TGFs focusing on winter thunderstorms in the Hokuriku region, and succeeded in observing a TGF. In addition, by comparing TGFs and broadband low-frequency radio observations, we clarified what types of lightning discharges can trigger TGFs, and obtained a suggestion for the mechanism of electron acceleration and multiplication.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

TGFは雷放電の初期で発生しており、発生や進展のメカニズムが未だよく理解されていない雷放電に対し、TGFがどのような影響を与えるか、といった点も今後の研究として期待される。またTGFでは大量のガンマ線が発生することから、特に航空機で飛行中に直撃した場合に乗客・乗員の被ばく量が懸念される。現在ではどのような雷でTGFが起きているか解明されていないものの、本研究でその手がかりが得られており、将来的な被ばく量推定に役立つと考えられる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] フランス国立科学研究センター/フランス国立宇宙研究センター/原子力・代替エネルギー庁(フランス)
• [Int'l Joint Research] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [Journal Article] Characteristics of Low‐Frequency Pulses Associated With Downward Terrestrial Gamma‐Ray Flashes (2022)
  • Author(s): Wada Y.、Morimoto T.、Nakamura Y.、Wu T.、Enoto T.、Nakazawa K.、Ushio T.、Yuasa T.、Tsuchiya H.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 49 Issue: 5 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1029/2021gl097348
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atmospheric Electron Spatial Range Extended by Thundercloud Electric Field Below the Relativistic Runaway Electron Avalanche Threshold (2022)
  • Author(s): Diniz G.、Wada Y.、Ohira Y.、Nakazawa K.、Enoto T.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 127 Issue: 3 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1029/2021jd035958
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ドローンを用いた雷雲直下での放射線観測の検討 (2022)
  • Author(s): 和田有希, 中村裕子, 榎戸輝揚
  • Journal Title: 大気電気学会誌 Volume: 100 Pages: 39-40
• [Journal Article] Catalog of gamma-ray glows during four winter seasons in Japan (2021)
  • Author(s): Wada Y.、Matsumoto T.、Enoto T.、Nakazawa K.、Yuasa T.、Furuta Y.、Yonetoku D.、Sawano T.、Okada G.、Nanto H.、Hisadomi S.、Tsuji Y.、Diniz G. S.、Makishima K.、Tsuchiya H.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 3 Issue: 4 Pages: 043117-043117
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.043117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiple Gamma‐Ray Glows and a Downward TGF Observed From Nearby Thunderclouds (2021)
  • Author(s): Hisadomi S.、Nakazawa K.、Wada Y.、Tsuji Y.、Enoto T.、Shinoda T.、Morimoto T.、Nakamura Y.、Yuasa T.、Tsuchiya H.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 126 Issue: 18 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1029/2021jd034543
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 高エネルギー大気物理学における陽電子の観測 (2021)
  • Author(s): 和田有希
  • Journal Title: 陽電子科学 Volume: 17
  • NAID: 40022686544
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Meteorological Aspects of Gamma‐Ray Glows in Winter Thunderstorms (2021)
  • Author(s): Wada Y.、Enoto T.、Kubo M.、Nakazawa K.、Shinoda T.、Yonetoku D.、Sawano T.、Yuasa T.、Ushio T.、Sato Y.、Diniz G. S.、Tsuchiya H.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 48 Issue: 7 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1029/2020gl091910
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 北陸の冬季雷雲に由来するガンマ線イベントのカタログ解析 (2022)
  • Author(s): 和田有希, 榎戸輝揚, 中澤知洋, 久保守, 湯浅孝行, 米徳大輔, 澤野達哉, 岡田豪, 南戸秀仁, 篠田太郎, 佐藤陽祐, Gabriel Sousa Diniz, 牛尾知雄, 牧島一夫, 土屋晴文
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] ドローンを用いた雷雲直下での放射線観測の検討 (2022)
  • Author(s): 和田有希, 中村裕子, 榎戸輝揚
  • Organizer: 日本大気電気学会第100回研究発表会
• [Presentation] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：2021年1月のgamma-ray glowのコリメータスペクトルの時間変動解析 (2022)
  • Author(s): 大熊佳吾, 中澤知洋, 辻結菜, 久富章平, 小谷大貴, 伊神勇作, 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 土屋晴文, 篠田太郎, Gabriel Diniz, 山田真也
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Low-frequency pulses associated with downward terrestrial gamma-ray flashes in Japan (2021)
  • Author(s): Yuuki Wada, Takeshi Morimoto, Yoshitaka Nakamura, Teruaki Enoto, Kazuhiro Nakazawa, Ting Wu, Tomoo Ushio, Takayuki Yuasa, Harufumi Tsuchiya
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atmospheric electron range extended by thundercloud electric field below the relativistic runaway electron avalanche threshold (2021)
  • Author(s): Gabriel Sousa Diniz, Yuuki Wada, Yutaka Ohira, Kazuhiro Nakazawa, Teruaki Enoto
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on temporal and positional correlation between sprites and gamma-ray radiations by thunderclouds between 2016 and 2021 (2021)
  • Author(s): Duan Maomao, Takanori Sakamoto, Teruaki Enoto, Yuuki Wada
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高エネルギー大気物理学の新展開 (2021)
  • Author(s): 和田有希
  • Organizer: 第6回 宇宙素粒子若手の会 秋の研究会
  • Invited
• [Presentation] ガンマ線を放出する冬季雷雲のXバンドレーダーおよび降水粒子観測 (2021)
  • Author(s): 和田有希, 榎戸輝揚, 久保守, 中澤知洋, 篠田太郎, 米徳大輔, 澤野達哉, 湯浅孝行, 牛尾知雄, 佐藤陽祐, ガブリエル・ディニズ, 土屋晴文
  • Organizer: JpGU2021
• [Presentation] 雷雲ガンマ線のマッピング観測を狙うシチズンサイエンス「雷雲プロジェクト」の進捗 (2021)
  • Author(s): 榎戸輝揚, 一方井祐子, 和田有希, Diniz Gabriel, 沼澤正樹, 加藤陽, 三宅晶子, 中澤知洋, 久富富平, 辻結菜, 湯浅孝行, 土屋晴文, 森本健志, 中村佳敬, 鴨川仁
  • Organizer: JpGU2021
• [Presentation] 2020年度雷雲ガンマ線観測における高度測定用検出器GOOSEの展開と観測 (2021)
  • Author(s): 辻結菜, 中澤知洋, 久富章平, 伊神勇作, 小谷大貴, 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 土屋晴文, 篠田太郎, 大熊佳吾, Diniz Gabriel
  • Organizer: JpGU2021
• [Presentation] 雷活動に由来したガンマ線放射時の雲内の降水粒子分布 (2021)
  • Author(s): 武元清達, 篠田太郎, 加藤雅也, 久富章平, 辻結菜, 中澤知洋, 和田有希, 榎戸輝揚
  • Organizer: JpGU2021
• [Presentation] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：2021年1月の gamma-ray glow のコリメータスペクトルの詳細解析 (2021)
  • Author(s): 大熊佳吾, 中澤知洋, 久富章平, 辻結菜, 小谷大貴, 伊神勇作, 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 土屋晴文, 篠田太郎, Gabriel Diniz, 山田真也
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：2021年1月に観測されたgamma-ray glowにおけるガンマ線と電子の同時検出 (2021)
  • Author(s): 辻結菜, 中澤知洋, 久富章平, 伊神勇作, 小谷大貴, 大熊佳吾, 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 土屋晴文, 篠田太郎, Gabriel Diniz
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 雷放電による光核反応の観測的研究 (2021)
  • Author(s): 和田有希
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Radar diagnosis of winter thunderclouds in Japan originating gamma-ray glows (2020)
  • Author(s): Yuuki Wada, Teruaki Enoto, Mamoru Kubo, Kazuhiro Nakazawa, Takayuki Yuasa, Daisuke Yonetoku, Tatsuya Sawano, Tomoo Ushio, Taro Shinoda, Yousuke Sato, Gabriel Sousa Diniz, Harufumi Tsuchiya
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research