非線形Full wave計算法による雷上空大気発光現象の解析

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13640447
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 長野 勇 金沢大学, 自然科学研究科, 教授 (50019775)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 八木谷 聡 金沢大学, 自然科学研究科, 助教授 (30251937)
• Keywords: 雷放雷 / 雷磁波パルス / 雷離層 / 発光現象 / elves / 電子加熱 / Full Wave計算法 / 並列計算

Research Abstract

大規模な雷雲-地上間の雷放電に伴い観測される下部電離層(高度85〜105km)中の発光現象「elves」は、雷放電電流から放射されるVLF(数kHz〜数十kHz)帯の大振幅電磁波が下部電離層中で窒素分子を励起することにより発生すると考えられている。本研究では、Full wave計算法を用いてVLF電磁波パルスの下部電離層における伝搬を厳密に計算することで、elvesの発生機構を明らかにすることを目的とする。本来Full wave計算法は線形計算であるため、大振幅電磁波パルスによる下部電離層の電子加熱と、それによる電子密度及び衝突周波数の時間変化を扱うことができなかった。昨年度は、これら電離層パラメータの時間変化が電離層中を伝搬するホイスラモード波を減衰させる効果のみを近似的にFull wave計算に含める手法を開発した。今年度は更にそれを改良し、大振幅電磁波パルス(特に電界成分)による下部電離層の電子加熱、及びそれに伴う電子密度と衝突周波数の変化を記述する方程式を解き、その周波数特性及び電磁波強度との関係を求めた。それにより、電磁波の減衰の影響を定量的に考慮し、実際の観測値と比べて矛盾のないelvesの時空間発展を計算することができるようになった。
また、1回のFull wave計算に際しては数億回以上の平面波の電離層伝搬計算が必要となるが、今年度は、昨年度に構築した、高速CPU搭載の10台のPCにより構成される並列計算システムを用いて、様々なパラメータに対するFull wave計算を高速に実行してelvesの発生メカニズムを調べた。その結果、雷放電から放射されたVLF電磁波が地球磁場に沿ってホイスラモード波で伝搬することにより、elvesのリング構造に南北及び東西の非対称性が生じることを明らかにした。また、電磁波パルスの強度に対するelvesの発光の様子の違い等を検討した。

Research Products

• [Publications] I.Nagano, S.Yagitani, K.Miyamura, S.Makino: "Full wave analysis of elves created by lightning-generated electromagnetic pulses"Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. (印刷中). (2003)
• [Publications] I.Nagano, X-Y.Wu, H.Takano, S.Yagitani, H.Matsumoto, K.Hashimoto, Y.Kasaba: "Remote sensing the magnetosheath by the spin modulation of terrestrial continuum radiation"Journal of Geophysical Research. (印刷中). (2003)
• [Publications] 高野博史, 長野勇, 八木谷聡: "レゾナンスの影響を考慮した無衝突磁化プラズマ中における電磁波伝搬の解析"電子情報通信学会論文誌. (印刷中). (2003)