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

2013 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, 宇宙科学研究所, 主幹研究員 (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

Research Abstract

スプライトの水平空間分布と親雷放電の放電特性を，国際宇宙ステーションからの雷・スプライト観測装置(JEM-GLIMS)と地上の光学・電磁波連携観測によって明らかにする。さらに，雷放電上空の電磁界と電子密度の時間・空間変動を，時間領域差分(FDTD)法を基にしたモデル計算で求める。これらの定量的比較検証をもってスプライトの発生条件を明らかにし，新しい発生メカニズムを構築することが本研究の目的である。
平成25年度の第一の成果は，JEM-GLIMSで得られる大量データの処理方法を確立し，スプライトの同定が可能となった点である。JEM-GLIMSのカメラデータの画像差引き演算処理方法と，フォトメタデータのピーク発光強度比を計算する手法を開発し確立した。これらの手法によって真上観測データから雷放電発光とスプライト発光とを分離し同定することに成功した。第二の成果として，JEM-GLIMSに搭載されている電波観測器によって，雷放電起源の電波を検出しその電気的特性と時空間変化を特定する手法を確立した点である。特に，雷雲内を進展する放電路から放射されたVHFパルスの受信データから，それらの放射源位置を干渉法により時々刻々特定する手法を開発し確立した。第三の成果は，地上に展開するELF/VLF電波観測ネットワークで，JEM-GLIMSで観測された高高度放電発光現象に関し，それを引き起こした雷放電からの電波を同時観測し，その発生時刻・位置・極性・電波モーメント変化量などの放電特性を推定できた点である。
平成25年度になし得たこれらの成果は，翌年度以降に実施予定のFDTDモデルとの比較およびスプライトの発生条件の解明に繋がる基盤的な業績と位置付けられる。

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観測データから，雷放電発光と高高度放電発光とを分離する手法を確立できた。さらにJEM-GLIMSの電波観測データから雷雲内の放電進展路を推定する手法を確立した。これらの研究は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，順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度以降に本研究で実施する研究の目的と計画は，次の3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、JEM-GLIMSで観測されたスプライトイベントの詳細解析：　JEM-GLIMSの観測データをより詳細に解析し，(1)JEM-GLIMSの光学観測データから高高度放電発光現象の水平空間分布を特定する，(2)JEM-GLIMSの光学・電波観測データを相互比較し，高高度放電発光現象の水平空間分布と，親雷放電の時空間進展が水平空間部分に及ぼす影響を定量評価する。
2、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に関し，JEM-GLIMSの電磁波観測データからその放電の時空間変化を，地上のELF/VLF波動観測データからピーク電流値・電荷モーメント変化などを推定する。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手法を確立する。
3、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高高度放電発光現象を統計的に解析し，かつてない高精度の全球分布，LT依存性，季節変動を特定する。さらに，JEM-GLIMSのフォトメタ観測データを用いることで雷雲地上間放電(CG)と雲内放電(IC)を判別する手法を確立したことから，CG/ICの比率の緯度分布を特定し，この分野における世界初の成果創出を目指す。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

米国カリフォルニア州に設置してあるELF観測システムを，H25年度内に米国内の別の場所に移設し観測を行う計画をたてていた。しかしながら，移設先の候補地の選定に難航し，かつ，候補地を管理する現地研究機関との調整が不調に終わったため，予定していた移設計画を実行できなかった。このため，確保していた旅費および物品購入費を使用すること無く次年度に持ち越すことになってしまった。
H26年度の11月ごろまでに，米国カリフォルニア州に設置してあるELF観測システムを米国内の別の場所に移設する。このための物品購入費・輸送費・旅費として使用する。

Research Products

• [Journal Article] Ground-based observations of the relations between lightning charge-moment-change and the physical and optical properties of column sprites (2014)
  • Author(s): Yaniv, R., Y. Yair, C. Price, J. Bor, M. Sato, Y. Hobara, S. Cummer, J. Li, and A. Devir
  • Journal Title: Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics Volume: 107 Pages: 60-67
  • DOI: 10.1016/j.jastp.2013.10.018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 27日太陽周期の雲変動と太陽活動 (2014)
  • Author(s): 高橋幸弘
  • Journal Title: Journal of Plasma and Fusion Research Volume: 90 Pages: 128-131
• [Journal Article] 大気電気学 - 全地球回路 (2014)
  • Author(s): 高橋幸弘
  • Journal Title: Journal of Plasma and Fusion Research Volume: 90 Pages: 137-140
• [Presentation] JEM-GLIMSによるTLEsの光学観測：スプライト，エルブス観測例 (2014)
  • Author(s): 佐藤光輝，足立透，三原正大，牛尾知雄，森本健志，鈴木睦，山崎敦，菊池雅行，高橋幸弘，Umran Inan，Ivan Linscott，芳原容英
  • Organizer: 第90回大気電気学会
  • Place of Presentation: 東京学芸大学（小金井市）
  • Year and Date: 20140109-20140110
• [Presentation] 雷放電の国際宇宙ステーション搭載GLIMSミッション及び地上同時観測による大気圏・電離圏結合に関する研究 (2014)
  • Author(s): 柿沼遠方，芳原容英，牛尾知雄，河崎善一郎，森本健志，佐藤光輝，山崎敦，鈴木睦
  • Organizer: 第90回大気電気学会
  • Place of Presentation: 東京学芸大学（小金井市）
  • Year and Date: 20140109-20140110
• [Presentation] 国際宇宙ステーションからのVHF帯電磁波を用いた雷放電観測と光学観測結果との比較 (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: 第90回大気電気学会
  • Place of Presentation: 東京学芸大学（小金井市）
  • Year and Date: 20140109-20140110
• [Presentation] JEM- GLIMSによって観測されたスプライトとエルブスの時間・空間変化 (2014)
  • Author(s): 佐藤光輝，足立透，三原正大，牛尾知雄，森本健志，鈴木睦，山崎敦，菊池雅行，高橋幸弘，Umran Inan，Ivan Linscott，芳原 容英
  • Organizer: 第14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: 20140109-20140110
• [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，牛尾知雄，佐藤光輝，山崎敦，鈴木睦，菊池雅行
  • Organizer: 第14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: 20140109-20140110
• [Presentation] 国際宇宙ステーションからの雷放電と高高度発光現象の観測 (2014)
  • Author(s): 牛尾知雄，佐藤光輝，森本健志，鈴木睦，山崎敦，Umran Inan，芳原容英，菊池博史，足立透，石田良平，坂本祐二，高橋幸弘
  • Organizer: 第14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: 20140109-20140110
• [Presentation] Photometric Characteristics of Sprites and Elves Derived from JEM-GLIMS Nadir Observations (2013)
  • 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: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: モスコーンセンター（米国）
  • Year and Date: 20131209-20131213
  • Invited
• [Presentation] JEM-GLIMS Nadir Observation: Detection Method of Lightning and TLEs (2013)
  • Author(s): Adachi, T., M. Sato, Y. Takahashi, T. Ushio, A. Yamazaki, M. Suzuki, K. Masayuki, U. Inan, I. Linscott, and Y. Hobara
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: モスコーンセンター（米国）
  • Year and Date: 20131209-20131213
• [Presentation] ELF波動観測に基づく全球雷放電活動と極端気象・気候変動の監視計画 (2013)
  • Author(s): 佐藤光輝，高橋幸弘，門倉昭，岡田雅樹，山岸久雄
  • Organizer: 第4回極域科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 国立極地研究所（立川市）
  • Year and Date: 20131112-20131115
• [Presentation] JEM-GLIMS による雷・TLE の天底観測：スプ ライト，エルブス観測例 (2013)
  • Author(s): 佐藤光輝，足立透, 牛尾知雄, 森本健志, 鈴木睦, 山崎敦, 菊池雅行, 高橋幸弘, Umran Inan, Ivan Linscott, 芳原容英
  • Organizer: 第134回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知市）
  • Year and Date: 20131102-20131105
• [Presentation] Multipoint measurement of electrostatic field changes caused by lightning discharge (2013)
  • Author(s): 阪井陸真, 高橋幸弘, 佐藤光輝, 工藤剛史
  • Organizer: 第134回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知市）
  • Year and Date: 20131102-20131105
• [Presentation] SMILESが捉えた中層大気HO2ラジカルの増大とスプライト発生の相関性について (2013)
  • Author(s): 山田崇貴, 笠井康子, 佐川英夫, 足立透, Su Han-Tzong, Chen Alfred, Hsu Rue-Ron, 高橋幸弘, 佐藤光輝
  • Organizer: 第134回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知市）
  • Year and Date: 20131102-20131105
• [Presentation] スプライトストリーマの水平空間分布と発生 高度の関係 (2013)
  • Author(s): 小林縫, 佐藤光輝, 高橋幸弘, 工藤剛史, 井上智広, S. Cummer, H. Steanbaek-Nielsen, M. McHarg, R. Haaland, T. Kammae, Y. Yair, W. Lyons
  • Organizer: 第134回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知市）
  • Year and Date: 20131102-20131105
• [Presentation] JEM-GLIMS による雷・TLE の天底観測:検出 手法の確立 (2013)
  • Author(s): 足立透, 佐藤光輝, 牛尾知雄, 山崎敦, 鈴木睦, 菊池雅行, 高橋幸弘, Inan Umran, Linscott Ivan, 芳原容英
  • Organizer: 第134回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知市）
  • Year and Date: 20131102-20131105
• [Presentation] 国際宇宙ステーションからの雷放電とスプライト の観測 (2013)
  • Author(s): 牛尾知雄, 佐藤光輝, 鈴木睦, 森本健志, 高橋幸弘, 菊池雅行, 山崎敦, 坂本祐二
  • Organizer: 第134回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知市）
  • Year and Date: 20131102-20131105
• [Presentation] Lightning current measurement based on ELF magnetic field observations (2013)
  • Author(s): Sato, M., F. Tsuchiya, N. Honma, D. Tsurushima, and Y. Takahashi
  • Organizer: 2013 Asia-Pacific Radio Science Conference (AP-RASC13)
  • Place of Presentation: 福華文教会館（台湾）
  • Year and Date: 20130903-20130907
  • Invited
• [Presentation] Estimation of lightning magnitude using VLF sferics in Japan (2013)
  • Author(s): Kudo, T.,Y. Takahashi, M. Sato, and K. Osa
  • Organizer: 2013 Asia-Pacific Radio Science Conference (AP-RASC13)
  • Place of Presentation: 福華文教会館（台湾）
  • Year and Date: 20130903-20130907
• [Presentation] JEM-GLIMS observations of lightning and TLEs from ISS (2013)
  • Author(s): Sato, M., T. Ushio, T. Adachi, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki, M. Kikuchi, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, and Y. Hobara
  • Organizer: Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly 2013 (DACA-13)
  • Place of Presentation: ダボスコングレスセンター（スイス）
  • Year and Date: 20130708-20130712
• [Presentation] Synchronization between lightning activity in Asia Maritime Continent and OLR in Western Pacific Warm Pool and central Africa (2013)
  • Author(s): Takahashi, Y., Y. Sanmiya, M. Sato, K. Yamashita
  • Organizer: Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly 2013 (DACA-13)
  • Place of Presentation: ダボスコングレスセンター（スイス）
  • Year and Date: 20130708-20130712
• [Presentation] Spatial and temporal evolution of sprite streamers derived from high-speed camera data in aircraft observation campaign (2013)
  • Author(s): Kobayashi, N., M. Sato, Y. Takahashi, T. Kudo, Y. Sanmiya, T. Inoue, H. Stenbaek-Nielsen, M. McHarg, R. Haaland, T. Kammae, Y. Yair, W. Lyons, S. Cummer, and NHK Cosmic Shore Project
  • Organizer: Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly 2013 (DACA-13)
  • Place of Presentation: ダボスコングレスセンター（スイス）
  • Year and Date: 20130708-20130712
• [Presentation] JEM-GLIMS による ISS からのVHF 帯電磁波観測の初期結果報告 (2013)
  • Author(s): 森本健志，菊池博史，吉田智，牛尾知雄，河崎善一郎，佐藤光輝，山崎敦，鈴木睦
  • Organizer: 第89回大気電気学会
  • Place of Presentation: 東海大学不知火センター松前会館（熊本県）
  • Year and Date: 20130704-20130705
• [Presentation] Initial Results Derived From JEM-GLIMS Optical Observations (2013)
  • Author(s): 佐藤光輝，牛尾知雄，森本健志，足立透，鈴木睦，山崎敦，菊池雅行，Umran Inan，Ivan Linscott，芳原容英
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Split Condition of Sprite Streamer Tips Derived From High-Speed Camera Observations (2013)
  • Author(s): 三原正大，佐藤光輝，小林縫，高橋幸弘，井上智広，H. Stenbaek-Nielsen，M. McHarg，R. Haaland，T. Kammae，Y. Yair，W. Lyons，S. Cummer，NHK宇宙の渚プロジェクト
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Global lightning distribution with information of charge moment change (2013)
  • Author(s): 周芳芳，高橋幸弘，佐藤光輝，山下幸三
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Synchronization of thunderstorm activities and OLR in tropical regions (2013)
  • Author(s): 高橋幸弘，三宮佑介，佐藤光輝
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Synchronization between lightning activity in the Maritime Continent and OLR in tropics (2013)
  • Author(s): 三宮佑介，高橋幸弘，佐藤光輝，山下幸三
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Estimation of lightning magnitude using VLF sferics in Kanto region (2013)
  • Author(s): 工藤剛史，高橋幸弘，佐藤光輝，長康平
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
  • Invited
• [Presentation] Estimation of lightning current waveform from ELF magnetic induction field (2013)
  • Author(s): 土屋史紀，本間規泰，佐藤光輝，鶴島大樹，高橋幸弘
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
  • Invited
• [Presentation] Spatial and Temporal Evolution of Sprite Streamers Derived from High-Speed Camera Data in Aircraft Observation Campaign (2013)
  • Author(s): 小林縫，佐藤光輝，高橋幸弘，工藤剛史，三宮佑介，井上智広，H. Stenbaek- Nielsen，M. McHarg，R. Haaland，T. Kammae，Y. Yair，W. Lyons，S. Cummer，NHK Cosmic Shore Project
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Nadir observation of lightning and TLEs by JEM-GLIMS: Comparison with ISUAL limb observation (2013)
  • Author(s): 足立透，佐藤光輝，牛尾知雄，森本健志，山崎敦，鈴木睦，菊池雅行，高橋幸弘，Inan, Umran，Linscott, Ivan，芳原 容英
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
  • Invited
• [Presentation] VHF observations on lightning discharges from the International Space Station (2013)
  • Author(s): 菊池博史，森本健志，牛尾知雄，佐藤光輝，山崎敦，鈴木睦，菊池雅行，石田良平，高橋幸弘，Umran Inan，Ivan Linscott，芳原 容英，坂本 祐二
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Global Lightning and Sprite Measurements (GLIMS) from ISS (2013)
  • Author(s): 牛尾知雄，佐藤光輝，森本健志，鈴木睦，山崎敦，芳原容英，Umran Inan，Ivan Linscott，菊池博史，菊池雅行，坂本祐二，石田良平，高橋幸弘，河崎善一郎
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
  • Invited
• [Presentation] 積乱雲と太陽活動の全球規模の同期 (2013)
  • Author(s): 高橋幸弘，三宮佑介，佐藤光輝
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場（千葉県）
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Nadir Observations of Lightning and TLEs by JEM-GLIMS (2013)
  • Author(s): Sato, M., T. Ushio, T. Morimoto, M. Suzuki, A. Yamazaki, M. Kikuchi, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, and Y. Hobara
  • Organizer: EGU General Assembly 2013
  • Place of Presentation: オーストリアセンターウィーン（オーストリア）
  • Year and Date: 20130407-20130412
  • Invited
• [Presentation] Measurement of electromagnetic waves in ELF and VLF bands to monitor lightning activity in the Maritime Continent (2013)
  • Author(s): Yamashita, K., Y. Takahashi, H. Ohya, F. Tsuchiya, M. Sato, and J. Matsumoto
  • Organizer: EGU General Assembly 2013
  • Place of Presentation: オーストリアセンターウィーン（オーストリア）
  • Year and Date: 20130407-20130412
• [Presentation] Detection of the HO2 enhancement with sprite event (2013)
  • Author(s): Yamada, T., H. Sagawa, T. Adachi, Y. Hiraki, R.R. Hsu, H.T. Su, A. Chen, T. Sato, M. Sato, Y. Takahashi, and Y. Kasai
  • Organizer: EGU General Assembly 2013
  • Place of Presentation: オーストリアセンターウィーン（オーストリア）
  • Year and Date: 20130407-20130412
• [Presentation] JEM-GLIMS ミッションにおけるデータ処理と今後の発展
  • Author(s): 佐藤光輝，牛尾知雄，森本健志，山崎敦，鈴木睦
  • Organizer: 宇宙科学情報解析シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原市）
• [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/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 落雷の電荷量推定システムと方法 (2013)
  • Inventor(s): 本間規泰，本郷保二，高橋幸弘，佐藤光輝，土屋史紀，鶴島大樹
  • Industrial Property Rights Holder: 本間規泰，本郷保二，高橋幸弘，佐藤光輝，土屋史紀，鶴島大樹
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: PCT/JP2013/080836
  • Filing Date: 2013-11-14
  • Overseas