雷放電による上層大気の発光現象の発生機構の解明

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09640530
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 長野 勇 金沢大学, 工学部, 教授 (50019775)
• 研究分担者: 八木谷 聡 金沢大学, 工学部, 講師 (30251937)
• キーワード: 大気発光現象 / 雷放電による電波放射 / Sprites / Elves / full wave計算

研究概要

雷放電に伴う上層大気の発光現象(SpritesとElves)の発生に関して、3次元空間での時間発展のシミュレーションに成功し、それらの発生特性および雷放電から放射される電磁波の特性を明らかにした。その成果の概要を以下に述べる。
1. 雷放電として電流パルスがCloud-to-Ground放電するものと仮定し、その電磁波が地球磁界を考慮した電離層に入射するものとして、放射波形が厳密に解された。
2. 電磁波強度と窒素分子の励起による発光強度の関係を式で与え、発光現象の発生領域と発光強度の時間推移を求めた。
3. Elvesは雷放電による電磁波パルスにより、高度80〜100kmで、放電後0.4〜0.7msecの間に半径40kmから100kmまで時間と共に増大するやや非対称なシリンダ状に発生することが示された。またSpritesが高度60〜70kmで厚さ10km、半径20kmの円筒状に0.6msecから数十msecまで継続して発生する原因は、雷雲中の正電荷が放電した後に残された負電荷により生じる強い静電界によるものであることが示された。これらの結果は最近の観測結果とその構造には違いが見られるが、発光強度、発光時間に大変よい一致が見られた。
4. 計算により求めた雷放電から放射される電磁波波形に対して詳細な周波数解析を行った結果、電離層-大地間の電磁派多重反射の影響で、雷からの距離の違いにより観測波形には顕著な周波数特性の違いが生じることが明らかになった。このことは、雷からの空電波形を一地点で観測することにより雷の位置を検出できる新たな可能性を示すものである。
5. 実際にアメリカのロケット実験で雷雲上空数百kmにおいて観測された電磁界波形との比較を行ったところ、実測された波形は本計算法で求められる値とおおよそ一致し、本計算法が定量的に正しいことが示された。

研究成果

• [文献書誌] 宮村和俊、長野勇、八木谷聡: "雷放電から放射されるVLF電磁界波形のFull wave計算" 電子情報通信学会論文誌. J80-B-II・5. 387-396 (1997)
• [文献書誌] 宮村和俊、長野勇、八木谷聡: "あけぼの衛星の低高度観測におけるオメガ電波強度分布のFull wave計算による解析" 電子情報通信学会論文誌. J80-B-II・7. 595-603 (1997)
• [文献書誌] I.Nagano,X.-Y.Wu,S.Yag-itani,K.Miyamura,H.Mat-sumoto: "Unusual whistler with very large dispersion near the magnetopause: Geotail observa-tion and ray-tracing modeling" Journal of Geophysical Research. 103・A6. 11827-11840 (1998)
• [文献書誌] H.Matsumoto,H.Kojima,Y.Omura,I.Nagano: "Plasma waves in geospace: GEOTAIL observations" AGU Monograph. 105. 261-322 (1998)
• [文献書誌] D.Shklyar,I.Nagano: "On the VLF wave scattering in plasma with density irregularities" Journal of Geophysical Research. 103・A12. 29515-29526 (1998)
• [文献書誌] S.Yagitani,I.Nagano,H.Matsumoto,Y.Omura,他3名: "Wave and particle measurements for chorus emissions by GEOTAIL in the magneto-sphere" Advances in Space Research. 印刷中. (1999)
• [文献書誌] 長野 勇、他13名: "電波伝搬ハンドブック" リアライズ社, 407 (1999)