宇宙・地上の連携観測による高高度放電発光現象の発生条件とメカニズムの解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24340117
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 佐藤 光輝 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 講師 (50312541)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 牛尾 知雄 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50332961) ; 森本 健志 近畿大学, 理工学部, 准教授 (60403169) ; 芳原 容英 電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 教授 (10303009) ; 高橋 幸弘 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50236329) ; 鈴木 睦 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, その他部局等, 研究員 (60142098)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 雷放電 / 高高度放電発光現象 / スプライト / 国際宇宙ステーション

Outline of Annual Research Achievements

平成26年度の第一の業績は，前年度に確立したJEM-GLIMS光学観測データにおけるスプライト判定方法を用いて，複数例のスプライト事例を同定したことである。これにより，スプライトが雷放電のピーク発光位置から多くの場合平均10 km程度位置ずれを起こして発生していることを明らかにした。これは，雷放電帰還雷撃の直上とはずれた場所でスプライトが発生することを示唆しており，雷雲内で電荷が中和される中心領域が帰還雷撃の位置とは一致していないことを意味する。第二の業績は，スプライトと同時に観測された雷放電VHFパルスの放射源位置を，JEM-GLIMS搭載のVHF干渉計を用いて世界で初めて特定した点である。VHFパルス放射源位置はスプライトの親雷放電の発光領域内に一致しており，スプライトと親雷放電の時間・空間的な差違を世界で初めて定量的に示すことができた。第三の業績は，雷放電と高高度放電発光現象の全球発生頻度分布を特定した点である。国際宇宙ステーションの軌道特性から地方時に依存しない高高度放電発光現象の全球頻度分布の推定が可能であり，それを世界で初めて実現した。かつてない精度で高高度放電発光現象の全球頻度を推定したことにより，高高度放電発光現象が地球大気組成に与える化学的影響やグローバルサーキットに与える影響等を定量的に評価できることになった。第四の業績は，本研究をまとめた査読論文1本が掲載確定した点と，本研究に関する修士論文1本，卒業論文1本がまとまった点，国内・国際学会における招待講演を7件こなすなど，成果が続々と得られている点である。

平成26年度になし得たこれらの業績を基に，平成27年度では，JEM-GLIMS光学観測データ，電波観測データ，および地上雷放電電波観測データを駆使し，スプライトが位置ずれを起こして発生した要因を解明すること，即ち本研究の最終目標に到達する予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

JEM-GLIMSで得られる雷放電・高高度放電発光現象の真上光学・電波観測データから，(1)スプライトを複数例同定し，詳細な水平空間分布と親雷放電との時間的・空間的差違を明らかにできた点，(2)VHFパルス放射源を特定する手法を確立し，スプライトが観測された時のVHFパルス放射源との空間的・時間的差違も詳細に明らかにできた点，(3)雷放電と高高度放電発光現象の全球分布の初期結果が得られた点など，当初の計画通りに進捗しており期待通りの成果が得られているため。

Strategy for Future Research Activity

平成27年度に実施する研究の目的と計画は，次の5つにまとめられる。これらの課題を推進するため，研究分担者および連携研究者と密に連携し定期的なサイエンス会議を開催して，情報共有と今後の解析方針について議論する。さらに国際学会等で海外の研究者と成果について議論し，課題を抽出する。
1、高高度放電発光現象事例の詳細解析：　過去2年間に取得されたJEM-GLIMS観測データから，多くの高高度放電発光現象が検出されていることを確認している。しかし事例毎にスプライト，エルブス等の形態分別が未だにできていない。これらを実施し，全てのスプライト事例に対して空間分布の特徴と親雷放電との位置関係を定量的に推定する。
2、電波観測データとの詳細解析：　スプライトと同時にJEM-GLIMS電波観測器で検出されたVHFパルスデータ，およびVLFデータを解析し，親雷放電の電気的な放電特性を明らかにするとともに，スプライトとの時間的・空間的差違をより詳細に比較検証する。
3、FDTDモデルによる雷雲上空での電場強度分布の推定：　高高度放電発光現象を引き起こした親雷放電の電気的特性と時間・空間変化を，JEM-GLIMSデータおよび地上ELF/VLF波動観測データから推定し，それらの物理量を初期値として，時間領域差分法（FDTDモデル）を用い，雷雲上空での準静電界強度・放射電界強度の時間・空間変化を推定する。これによってスプライトの発生条件を解明する。
4、高高度放電発光現象の全球分布・LT依存性・季節変動の特定：　JEM-GLIMSで観測された約2年間分のデータから雷放電と高高度放電発光現象の全球頻度分布の初期解析結果が得られた。今年度は，この解析内容をさらにブラシュアップして推定誤差が小さくなるようさらなる解析を進める。
5、積極的な成果発表：　引き続き国内外の学会で積極的に成果を発表するとともに，査読論文への投稿を進める。

Causes of Carryover

国内学会および国際学会の予稿投稿費，参加費の支払い手続きが2015年3月末までに確定・完了しなかったため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

すみやかに国内学会および国際学会の予稿投稿費，参加費の支払い手続きを完了させる予定で，これにより繰越額は全て使用する予定。

Research Products

• [Journal Article] Overview and early results of the Global Lightning and Sprite Measurements mission (2015)
  • Author(s): Sato, M., T. Ushio, T. Morimoto, M. Kikuchi, H. Kikuchi, T. Adachi, M. Suzuki, A. Yamazaki, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, R. Ishida, Y. Sakamoto, K. Yoshida, Y. Hobara, T. Sano, T. Abe, M. Nakamura, H. Oda, and Z-I Kawasaki
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research - Atmosphere Volume: 120 Pages: 1-30
  • DOI: 10.1002/2014JD022428
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] JEM-GLIMSによる雷放電の電波および光学観測結果の比較 (2015)
  • Author(s): 森本健志, 大井一将, 菊池博史, 佐藤光輝, 三原正大, 牛尾 知雄, 山崎敦, 鈴木睦, 菊池雅行
  • Organizer: 第15回宇宙科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原市）
  • Year and Date: 2015-01-06 – 2015-01-07
• [Presentation] Lightning and Sprite Detection from Internationa Space Station (2014)
  • Author(s): Ushio, T., M. Sato, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki, Y. Hobara, M. Kikuchi, U. Inan, I. Linscott, H. Kikuchi, Y. Takahashi, and T. Adachi
  • Organizer: 米国地球物理学会(AGU)2014秋季大会
  • Place of Presentation: モスコーニュ・コンベンション・センター（サンフランシスコ，米国）
  • Year and Date: 2014-12-14 – 2014-12-18
• [Presentation] Imaging and spectrophotometric measurement of lightning by JEM-GLIMS (2014)
  • Author(s): Adachi T., M. Sato, M. Mihara, T. Ushio, A. Yamazaki, M. Suzuki, M. Kikuchi, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, Y. Hobara, S. Hayashi, K. Kusunoki
  • Organizer: 米国地球物理学会(AGU)2014秋季大会
  • Place of Presentation: モスコーニュ・コンベンション・センター（サンフランシスコ，米国）
  • Year and Date: 2014-12-14 – 2014-12-18
• [Presentation] Spatiotemporal Characteristics of Sprites and Sprite-related VHF Signals Measured by JEM-GLIMS (2014)
  • Author(s): Sato, M., T. Adachi, M. Mihara, T. Ushio, T. Morimoto, H. Kikuchi, M. Suzuki, A. Yamazaki, and Y. Takahashi
  • Organizer: 米国地球物理学会(AGU)2014秋季大会
  • Place of Presentation: モスコーニュ・コンベンション・センター（サンフランシスコ，米国）
  • Year and Date: 2014-12-14 – 2014-12-18
• [Presentation] JEM-GLIMS の光学・電波観測によるスプライトの発生空間分布の特定とそれに伴う VHF 帯電磁波の関係 (2014)
  • Author(s): 三原正大, 佐藤光輝, 牛尾知雄, 森本健志, 足立透, 鈴木睦, 山崎敦, 高橋幸弘, U. Inan, I. Linscott, 芳原容英
  • Organizer: 第28回 大気圏シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原市）
  • Year and Date: 2014-12-08 – 2014-12-09
• [Presentation] JEM-GLIMS による雷放電・TLEs 観測:2 年間の観測成果 (2014)
  • Author(s): 佐藤光輝, 牛尾知雄, 森本健志, 三原正大, 足立透, 鈴木睦, 山崎敦, 高橋幸弘, U. Inan, I. Linscott, 芳原容英
  • Organizer: 第28回 大気圏シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原市）
  • Year and Date: 2014-12-08 – 2014-12-09
• [Presentation] JEM-GLIMS により観測されたスプライトとそれ に伴うVHF帯電波の特徴 (2014)
  • Author(s): 佐藤 光輝, 足立 透, 三原 正大, 牛尾 知雄, 森本 健志, 菊池 博史, 鈴木 睦, 山崎 敦, 高橋 幸弘
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第 136 回総会・講演会
  • Place of Presentation: キッセイ文化ホール（松本市）
  • Year and Date: 2014-10-31 – 2014-11-03
• [Presentation] JEM-GLIMSにおけるVHF帯電磁波を用いた電磁波到来方向推定手法の検討 (2014)
  • Author(s): 菊池博史，森本健志，牛尾知雄，佐藤光輝，山崎敦，鈴木睦
  • Organizer: 電気学会A部門大会
  • Place of Presentation: 信州大学工学部（松本市）
  • Year and Date: 2014-08-21 – 2014-08-22
• [Presentation] Global Lightning and Sprite Measurements from International Space Station (2014)
  • Author(s): Ushio, T., M. Sato, T. Morimoto, M. Suzuki, H. Kikuchi, Y. Hobara, T. Adachi, and A. Yamazaki
  • Organizer: 31st URSI General Assembly and Scientific Symposium
  • Place of Presentation: 北京，中国
  • Year and Date: 2014-08-16 – 2014-08-23
  • Invited
• [Presentation] Spatial and Temporal Characteristics of Sprites Detected by JEM-GLIMS (2014)
  • Author(s): Sato, M., T. Adachi, M. Mihara, Y. Takahashi, T. Ushio, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki, U. Inan, and I. Linscott
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society(AOGS) 11th Meeting
  • Place of Presentation: ロイトン札幌（札幌）
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
• [Presentation] The Horizontal Distributions of Sprites Measured by Lightning and Sprite Imager Onboard JEM-GLIMS (2014)
  • Author(s): Mihara, M. M. Sato, T. Adachi, Y. Takahashi, T. Ushio, T. Morimoto, M. Suzuki, and A. Yamazaki
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society(AOGS) 11th Meeting
  • Place of Presentation: ロイトン札幌（札幌）
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
  • Invited
• [Presentation] Lightning Characteristics Derived from Satellite Spectrophtometric Observation (2014)
  • Author(s): Adachi, T., M. Sato, T. Ushio, T. Morimoto, A. Yamazaki, U. Inan, I. Linscott, Y. Hobara, H. Frey, S. Mende, A. Chen, H. Su, and R. Hsu
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society(AOGS) 11th Meeting
  • Place of Presentation: ロイトン札幌（札幌）
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
• [Presentation] Lightning Observations Using VHF Interferometer Installed on the International Space Station (2014)
  • Author(s): Kikuchi, H., T. Morimoto, T. Ushio, M. Sato, A. Yamazaki, and M. Suzuki
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society(AOGS) 11th Meeting
  • Place of Presentation: ロイトン札幌（札幌）
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
• [Presentation] VLF Subionospheric Disturbances and Causative Lightning Properties by using Ground Observations and ISS GLIMS Mission (2014)
  • Author(s): Hobara, Y., K. Kakinuma, M. Sato, T. Ushio, T. Morimoto, A. Yamazaki, M. Suzuki, M. Kikuchi, Y. Takahashi, and U. Inan
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society(AOGS) 11th Meeting
  • Place of Presentation: ロイトン札幌（札幌）
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
  • Invited
• [Presentation] Nadir Observation of Lightning and TLEs by JEM-GLIMS (2014)
  • Author(s): Sato, M., T. Ushio, T. Morimoto, T. Adachi, H. Kikuchi, M. Mihara, M. Suzuki, A. Yamazaki, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, and Y. Hobara
  • Organizer: 2nd TEA-IS Summer School
  • Place of Presentation: コリウール，フランス
  • Year and Date: 2014-06-23 – 2014-06-27
  • Invited
• [Presentation] JEM-GLIMS: First Qualitative Nadir Observations of Lightning and TLEs from ISS/JEM (2014)
  • Author(s): Sato, M., M. Mihara, Y. Takahashi, T. Adachi. T. Ushio, H. Kikuchi, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki, U. Inan, I. Linscott, and Y. Hobara
  • Organizer: 3rd Annual International Space Station Research and Development Conference
  • Place of Presentation: シカゴ，米国
  • Year and Date: 2014-06-17 – 2014-06-19
  • Invited
• [Presentation] VHF Lightning Observations by Digital Interferometry from ISS/JEM-GLIMS (2014)
  • Author(s): Morimoto, T., H. Kikuchi, T. Ushio, Z-I. Kawasaki, M. Sato, A. Yamazaki, and M. Suzuki
  • Organizer: 14th International Conference on Atmospheric Electricity
  • Place of Presentation: オクラホマ，米国
  • Year and Date: 2014-06-15 – 2014-06-20
• [Presentation] Propagation Characteristics of VHF waves recorded on the International Space Station (2014)
  • Author(s): Kikuchi, H., T. Morimoto, T. Ushio, M. Sato. A. Yamazaki and M. Suzuki
  • Organizer: 14th International Conference on Atmospheric Electricity
  • Place of Presentation: オクラホマ，米国
  • Year and Date: 2014-06-15 – 2014-06-20
• [Presentation] Global Lightning and Sprite Measurements from International Space Station (2014)
  • Author(s): Ushio, T., M. Sato, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki, Y. Hobara, M. Kikuchi, U. Inan, I. Linscott, R. Ishida, Y. Takahashi, Y. Sakamoto, and Z-I. Kawasaki
  • Organizer: 14th International Conference on Atmospheric Electricity
  • Place of Presentation: オクラホマ，米国
  • Year and Date: 2014-06-15 – 2014-06-20
• [Presentation] VHF radio observations of lightning discharges on JEM-GLIMS (2014)
  • Author(s): Kikuchi, H., T. Morimoto, T. Ushio, M. Sato, A. Yamazaki and M. Suzuki
  • Organizer: 2014 International Symposium on Electromagnetic Compatibility
  • Place of Presentation: 一ツ橋ホール（東京）
  • Year and Date: 2014-05-12 – 2014-05-16
• [Presentation] Introduction to GLIMS mission (2014)
  • Author(s): Ushio, T., M. Sato, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki, Y. Hobara, and M. Kikuchi
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-01
  • Invited
• [Presentation] Estimating lightning characteristics by spaceborne spectrophotometric observation (2014)
  • Author(s): Adachi, T., M. Sato, T. Ushio, A. Yamazaki, M. Suzuki, M. Kikuchi, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, Y. Hobara, M. Cohen, L., Gaopeng, S. Cummer, R. Hsu, A. Chen, and H. Frey
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-01
  • Invited
• [Presentation] Horizontal Distributions of Sprites Measured by Lightning and Sprite Imager Onboard JEM-GLIMS (2014)
  • Author(s): Mihara, M., M. Sato, T. Adachi, Y. Takahashi, T. Ushio, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-01
  • Invited
• [Presentation] Photometric Characteristics of Sprites and Elves Derived from JEM-GLIMS Nadir Observations (2014)
  • Author(s): Sato, M., Y. Takahashi, T. Adachi, N. Kobayashi, M. Mihara, T. Ushio, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki, U. Inan, and I. Linscott
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-01
• [Presentation] 国際宇宙ステーションからのVHF帯電磁波による雷放電観測と光学観測の同期観測結果 (2014)
  • Author(s): 菊池博史，森本健志，牛尾知雄，佐藤光輝，山崎敦，鈴木睦
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-01
• [Presentation] JEM-GLIMSによる雷放電から放射されるVHF帯電磁波観測 (2014)
  • Author(s): 森本健志，菊池博史，佐藤光輝，牛尾知雄，山崎敦，鈴木睦
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-01
• [Remarks] JEM-GLIMSミッションホームページ
  • URL: http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~jemglims/index.html
• [Remarks] 佐藤研究室ホームページ
  • URL: http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~msato/
• [Remarks] 大阪大学 JEM-GLIMSミッションホームページ
  • URL: http://www1a.comm.eng.osaka-u.ac.jp/JEM-GLIMS/