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高エネルギー大気物理学の手法で挑む雷トリガー機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 22H00145
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
研究機関京都大学 (2023-2024)
国立研究開発法人理化学研究所 (2022)

研究代表者

榎戸 輝揚  京都大学, 理学研究科, 准教授 (20748123)

研究分担者 鴨川 仁  静岡県立大学, その他部局等, 特任教授 (00329111)
一方井 祐子  金沢大学, 地域創造学系, 准教授 (00709214)
中澤 知洋  名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 准教授 (50342621)
森本 健志  近畿大学, 理工学部, 教授 (60403169)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円)
2025年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
2024年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
2023年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
2022年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
キーワードシチズンサイエンス / 雷雲プロジェクト / 雷雲ガンマ線 / 放射線計測 / 雷 / Gamma-ray glow / 高エネルギー大気物理学 / 放射線測定 / 雷放電 / 粒子加速 / 放射線測定器 / 宇宙線 / Thundercloud Project / Citizen science / lightning discharge
研究開始時の研究の概要

雷と雷雲は天然の粒子加速器である。雷や雷雲内では、強電場による電子の相対論的加速が生じ、MeV を超える制動放射ガンマ線が発生する。日本海沿岸の冬季雷雲は、これを地上観測できる世界的にも稀な絶好の条件を備える。本研究では、雷雲からの放射線と、雷の原子核反応の研究を組み合わせ、未解明の雷のトリガー過程に大気中の高エネルギー電子がどう関係するかを解明する。そのため、多地点観測網をシチズ ンサイエンスで拡大し、新型の中性子モニタも導入する。これにより、これまでに蓄積した成果 を集大成し「雷雲と雷放電の高エネルギー大気物理学」という新分野の根幹を確立したい。

研究実績の概要

雷雲内の強い電場により電子が相対論的に加速して地上に降り注ぐガンマ線(Gamma-ray glow もしくは雷雲ガンマ線)を、シチズンサイエンスも活用した「雷雲プロジェクト」として観測する研究である。2023年度の冬季にも、金沢に小型の放射線モニタ「コガモ (Compact Gamma-ray Monitor)」を70台ほど設置して測定を行うとともに、関係する理論や他測定グループとの共同研究も行ってきた。2023年度の特筆する成果として、雷雲ガンマ線(gamma-ray glow)を複数のコガモで検出し、雷放電の瞬間にガンマ線が途絶した2021年のイベントを、国際学術誌に出版できた(Tsurumi, Enoto, Ikkatai, et al., "Citizen Science Observation of a Gamma-Ray Glow Associated With the Initiation of a Lightning Flash", GRL, 2023)。このイベントでは雷放電のはじまり(トリガー)の位置をFALMAやDALMAなどの電波観測で位置精度よく検出した。その位置が雷雲ガンマ線の照射領域の内部もしくは近傍であり、強い電場による電子加速と雷の発生の関係性について議論を行った。この成果は、「シチズンサイエンスで挑む雷の謎―宇宙線と雷雲の相互作用は、雷の始まりに影響を与えるのか?―」として京都大学を中心にプレスリリースを行った(https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2023-07-10-1)。この他にも、雷雲ガンマ線の発生に迫るモンテカルロシミュレーションを用いた理論研究として、Diniz et al. GRL , 2023 なども出版し、他にも関連する共著論文にも参加した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究の成果として、国際学術誌 Geophysical Research Letters に複数の成果を出版することができ、国内外からも研究プロジェクトが注目されている。たとえば、榎戸は宇宙線研究所乗鞍観測所70周年でも記念講演「雷と雷雲の高エネルギー大気物理学の進展」として発表を行った。また、新聞等のメディアでも取り上げられている。たとえば、京都新聞2023年8月5日の夕刊一面で「科学発展の鍵は『あなた』、『シチズンサイエンス』京滋で広がる、市民がデータ収集、大発見も」として雷雲プロジェクトが掲載され、プレスリリースも複数の新聞に取り上げられた。また、本プロジェクトを推進している中心的な大学院生の発表は、日本地球惑星科学連合(JpGU)の大気水圏科学セッションで優秀発表賞を受賞している。シチズンサイエンス「雷雲プロジェクト」では研究者に限らず、熱心な市民サポーターも現れており、今後はより連携を深めていくことが大切と考えている。

今後の研究の推進方策

本年度もコガモを用いたシチズンサイエンス「雷雲プロジェクト」を継続するとともに、より市民サポーターに参加してもらえるような枠組みを充実させていくことも大切と考え、交流イベントも企画したい。これまで研究者チームのある京都大学を中心に測定器のメンテナンスを進めてきたが、今後は観測場所である金沢大学にシチズンサイエンスの拠点を形成することを狙っている。また、放射線モニタ「コガモ(Compact Gamma-ray Monitor, CoGaMo)」は1チャンネルのみの測定であるが、2チャンネルの読み出し系を用意して 3 MeV 以上での二次宇宙線ミューオン成分を弁別し、ガンマ線の検出感度をあげることを狙う。特に、アウトリーチおよび上記の測定器の改良を目的に、sony 社が発売するSpresenseボードを用いて2チャンネルの放射線測定が行える PENGUIN (Physics and Engineering Utility Introduction)ボードも開発を進めているので、導入を検討する。さらに、雷放電の光核反応で発生する中性子の測定を狙う検出器も観測ネットワークに導入していきたいと考えている。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 6件、 招待講演 7件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] シチズンサイエンスにおける科学者と参加者の関係2023

    • 著者名/発表者名
      一方井 祐子
    • 雑誌名

      情報の科学と技術

      巻: 73 号: 11 ページ: 486-492

    • DOI

      10.18919/jkg.73.11_486

    • ISSN
      0913-3801, 2189-8278
    • 年月日
      2023-11-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Citizen Science Observation of a Gamma‐Ray Glow Associated With the Initiation of a Lightning Flash2023

    • 著者名/発表者名
      Tsurumi M.、Enoto T.、Ikkatai Y.、Wu T.、Wang D.、Shinoda T.、Nakazawa K.、Tsuji N.、Diniz G. S.、Kataoka J.、Koshikawa N.、Iwashita R.、Kamogawa M.、Takagaki T.、Miyake S.、Tomioka D.、Morimoto T.、Nakamura Y.、Tsuchiya H.
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 50 号: 13 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1029/2023gl103612

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Relativistic Runaway Electron Avalanche Development Near the Electric Field Threshold in Inhomogeneous Air2023

    • 著者名/発表者名
      Diniz G. S.、Wada Y.、Ohira Y.、Nakazawa K.、Tsurumi M.、Enoto T.
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 50 号: 20 ページ: 1-8

    • DOI

      10.1029/2023gl105087

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Ambient Conditions of Winter Thunderstorms in Japan to Reproduce Observed Gamma‐Ray Glow Energy Spectra2023

    • 著者名/発表者名
      Diniz G. S.、Wada Y.、Ohira Y.、Nakazawa K.、Tsurumi M.、Enoto T.
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Atmospheres

      巻: 128 号: 10

    • DOI

      10.1029/2022jd038246

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Termination of Downward‐Oriented Gamma‐Ray Glow by Normal‐Polarity In‐Cloud Discharge Activity2023

    • 著者名/発表者名
      Wada Y.、Wu T.、Wang D.、Enoto T.、Nakazawa K.、Morimoto T.、Nakamura Y.、Shinoda T.、Tsuchiya H.
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Atmospheres

      巻: 128 号: 15 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1029/2023jd038606

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Negative Excursion of Surface Electric Fields During Gamma‐Ray Glows in Winter Thunderstorms2023

    • 著者名/発表者名
      Wada Y.、Kamogawa M.、Kubo M.、Enoto T.、Hayashi S.、Sawano T.、Yonetoku D.、Tsuchiya H.
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Atmospheres

      巻: 128 号: 21 ページ: 1-20

    • DOI

      10.1029/2023jd039354

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Catalog of 525 sprites observed over Japan from September 2016 to March 20212023

    • 著者名/発表者名
      Duan Maomao、Sakamoto Takanori、Enoto Teruaki、Wada Yuuki、Kamogawa Masashi、Ito Koji
    • 雑誌名

      Heliyon

      巻: 9 号: 3 ページ: e13197-e13197

    • DOI

      10.1016/j.heliyon.2023.e13197

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 宇宙線と雷雲の相互作用と電場による粒子加速を 解明するシチズンサイエンス「雷雲プロジェクト」2024

    • 著者名/発表者名
      榎戸輝揚
    • 学会等名
      令和5年度東京大学宇宙線研共同利用研究成果発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] シチズンサイエンス「雷雲プロジェクト」2024

    • 著者名/発表者名
      辻直希
    • 学会等名
      2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] シチズンサイエンス「雷雲プロジェクト」によるガンマ線グローの観測とレーダー解析2024

    • 著者名/発表者名
      鶴見美和
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] High-energy atmospheric physics of lightning and thunderstorms2023

    • 著者名/発表者名
      Teruaki Enoto
    • 学会等名
      Physics High-Field Science 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Citizen science "Thundercloud Project": Multi-point radiation measurements of gamma-ray glows from accelerated electrons in thunderstorms2023

    • 著者名/発表者名
      Teruaki Enoto
    • 学会等名
      The 38th International Cosmic Ray Conference (ICRC2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Lightning flash started near the electron acceleration region in the thundercloud2023

    • 著者名/発表者名
      Miwa Tsurumi
    • 学会等名
      The 38th International Cosmic Ray Conference (ICRC2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 雷と雷雲の高エネルギー大気物理学の進展 雷と雷雲の高エネルギー大気物理学の進展2023

    • 著者名/発表者名
      榎戸輝揚
    • 学会等名
      東京大学宇宙線研究所 乗鞍観測所70周年記念講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Collective Power of Science2023

    • 著者名/発表者名
      Teruaki Enoto
    • 学会等名
      第4回日米独先端科学(JAGFOS)シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] シチズンサイエンス「雷雲プロジェクト」による2022年度のガンマ線グローの観測と解析2023

    • 著者名/発表者名
      鶴見美和
    • 学会等名
      JpGU2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Investigating the electron acceleration location in winter thunderclouds by on-ground gamma-ray and radio observations2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Nakazawa
    • 学会等名
      The 38th International Cosmic Ray Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 雷放電からの突発ガンマ線の指向性観測のためのチェレンコフ検出器開発2023

    • 著者名/発表者名
      安藤美唯
    • 学会等名
      JpGU2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 2021年12月30日に金沢市で観測された 5連続TGFのガンマ線と電波解析2023

    • 著者名/発表者名
      大口真奈里
    • 学会等名
      JpGU2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 雷雲ガンマ線グローと下向き TGFの電子加速域の簡易的な 高度測定の試み2023

    • 著者名/発表者名
      大口真奈里
    • 学会等名
      日本物理学会 「第78回年次大会」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] シチズンサイエンスによって生まれるもの:雷雲プロジェクトを事例として2023

    • 著者名/発表者名
      一方井祐子
    • 学会等名
      中部哲学会2023年大会シンポジウム 「創造性とは何か~芸術、科学、哲学」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Thundercloud Project : a citizen science collaboration between researchers and citizens in Japan2023

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ikkatai
    • 学会等名
      C*SCi2023, 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Multi-Frequency Observation of Downward Terrestrial Gamma-ray Flashes in Winter Thunderstorms2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Wada
    • 学会等名
      XXXVth International Union of Radio Science (URSI)-General Assemlby and Science Symposium (GASS)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] シチズンサイエンスで挑む雷の謎2022

    • 著者名/発表者名
      榎戸輝揚
    • 学会等名
      理研・和光キャンパス一般公開 サイエンスレクチャー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] シチズンサイエンスの未来 -科学を文化に!-2022

    • 著者名/発表者名
      榎戸輝揚
    • 学会等名
      TED x Tokyo University
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] シチズンサイエンス・雷雲プロジェクト報告2022

    • 著者名/発表者名
      榎戸輝揚
    • 学会等名
      シチズンサイエンス・ワークショップ「雷から文化を創造する」~雷の見える化でわかる価値~
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Citizen science observation campaign of gamma-ray glows from winter thunderstorms in Japan2022

    • 著者名/発表者名
      Teruaki Enoto
    • 学会等名
      Thundercloud & Elementary Particle Accelerator (TEPA) 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] シチズンサイエンスで挑む雷の謎2022

    • 著者名/発表者名
      榎戸輝揚
    • 学会等名
      北陸先端科学技術大学院大学「自然との共感・共生国際シンポジウム2022」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 天から降り注ぐ宇宙線と雷の不思議2022

    • 著者名/発表者名
      榎戸輝揚
    • 学会等名
      七尾高校出前授業
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] シチズンサイエンスで挑む雷の謎―宇宙線と雷雲の相互作用は、雷の始まりに影響を与えるのか?―

    • URL

      https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2023-07-10-1

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 雷雲プロジェクト:ふしぎな雷雲ガンモを探せ!

    • URL

      https://fabcafe.com/jp/labs/kyoto/thunderstorm/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-04-17  

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