Study of particle acceleration and high-energy phenomena in strong electric field of lightning strikes

雷击强电场中粒子加速及高能现象研究

• 批准号: 18J13355
• 负责人: 和田 有希
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J13355/
• 关键词: 雷放電; TGF; 光核反応; 高エネルギー大気物理学; 冬季雷; ガンマ線; 粒子加速; 電子; 電場加速; 制動放射; X線

雷放電からは10 MeVを超えるガンマ線が放出され、地球ガンマ線フラッシュ (terrestrial gamma-ray flash: TGF) と呼ばれている。これは雷放電で生じた強力な電場が大気中で電子を相対論的なエネルギーまで加速している証拠である。一方でTGFが濃密な大気中で効率よく電子を加速・増幅するメカニズムは未解明である。そこで私は北陸地方の冬季に発生する雷放電を対象としてガンマ線の地上観測を行い、TGFやTGFが光核反応によって生成する中性子・陽電子を観測してきた。2019年度は石川県・新潟県におけるガンマ線検出器の拡充を行うとともに、雷放電の電波観測グループとの共同研究を推進し、TGFを多角的に研究する体制を構築した。その成果は3本の主著論文として出版した。2018年1月の事例では、雷放電の前に1分間ほどロングバーストと呼ばれるガンマ線が雷雲から放出されており、ロングバーストの発生場所からTGFが発生したことを明らかにした。このことから、ロングバーストを生じさせる雷雲内の強い電場領域がTGFの発生源となっている可能性を提示した (Wada et al., Comms. Phys., 2019)。2017年11月の事例では、通常の検出器では完全に飽和してしまったTGFによる地上の粒子フラックスを、原子力発電所の電離箱高線量計を用いて吸収線量として測定し、TGFの規模や発生高度を推定した (Wada et al., Phys. Rev. Lett., 2019)。また金沢市で観測した2事例においては、TGFがenergetic in-cloud pulseと呼ばれる特殊な雷放電に同期していたことを突き止めた (Wada et al., JGR Atmos., 2020)。このように北陸地方の恵まれた観測環境と多波長による観測で高エネルギー大気物理学を開拓した。

Thunder discharge か ら は 10 MeV を super え る ガ ン マ line が release さ れ, earth ガ ン マ line フ ラ ッ シ ュ (terrestrial gamma - ray flash: TGF) と shout ば れ て い る. こ れ は thunder discharge で raw じ た big strong electric field が な 気 で electronic を phase in the theory of moral な エ ネ ル ギ ー ま で accelerate し て い る card 拠 で あ る. The effect of でTGFが in dense な atmosphere で efficiency よく electron を acceleration · increase するメカニズム である is unexplained である. そ こ で private は hokuriku winter place の に 発 raw す る thunder discharge を like と seaborne し て ガ ン マ line 観 の the ground line を い, TGF や TGF が light nuclear anti 応 に よ っ て generated す る in temperament, positron を 観 measuring し て き た. 2019 県 は ishikawa, niigata 県 に お け る ガ ン マ line 検 extractor の company, filling line を う と と も に, thunder discharge の waves 観 グ ル ー プ と の joint research を し, TGF を polygonal に research す を る system constructing し た. Youdaoplaceholder0 そ achievements と Three main papers と て て て published た た. の examples in January 2018 で は, ray に 1 minute before discharge の ほ ど ロ ン グ バ ー ス ト と shout ば れ る ガ ン マ line が thundercloud か ら release さ れ て お り, ロ ン グ バ ー ス ト の 発 birth place か ら TGF が 発 raw し た こ と を Ming ら か に し た. こ の こ と か ら, ロ ン グ バ ー ス ト を raw じ さ せ る thundercloud の strong が い electric field within the TGF の 発 students と な っ て い る possibility を prompt し た (Wada et al., Comms. Phys., 2019). November 2017 の examples で は, usually の 検 extractor で は に completely saturated し て し ま っ た TGF に よ の る the ground particles フ ラ ッ ク ス を, atomic force 発 electric の ionization chamber contour meter を with い て 収 line uptake と し て し, TGF の scale や 発 raw highly presumption を し た (Wada et al., Phys. Rev. Lett., 2019. ま た kanazawa city で 観 measuring し た 2 cases に お い て は, TGF が energetic -- cloud in pulse と shout ば れ る special な thunder discharge に period し て い た こ と を tu き check め た (Wada et al., JGR Atmos., 2020). こ の よ う に hokuriku place の travelling ま れ た 観 test environment と multiwavelength に よ る 観 で measuring high エ ネ ル ギ ー big 気 physics を pioneering し た.

项目成果

チェコ科学アカデミー 原子核研究所(チェコ)

捷克科学院核研究所（捷克共和国）

雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：多地点観測の進展と大気電場・電波との協同観測

闪电活动伽马射线观测项目：多点观测及大气电场与电波联合观测取得进展

• 发表时间: 2019
• 作者: 和田有希;榎戸輝揚;松元崇弘;中澤知洋;古田禄大;湯浅孝行;鴨川仁;G.S.Bowers;中村佳敬;森本健志;玉川徹;牧島一夫;土屋晴文;久保守;松木篤;米徳大輔;澤野達哉;D.M.Smith
• 通讯作者: D.M.Smith

Recent Updates from Mapping Observation of High-Energy Phenomena In Japanese Winter Thunderstorms

日本冬季雷暴高能现象测绘观测的最新更新

• 发表时间: 2018
• 作者: Y. Wada;T. Enoto;Y. Furuta;K. Nakazawa;T. Yuasa;T. Matsumoto;D. Umemoto;K. Makishima;H. Tsuchiya
• 通讯作者: H. Tsuchiya

High Peak‐Current Lightning Discharges Associated With Downward Terrestrial Gamma‐Ray Flashes

• DOI: 10.1029/2019jd031730
• 发表时间: 2020-02
• 期刊: Journal of Geophysical Research: Atmospheres
• 作者: Y. Wada;T. Enoto;Y. Nakamura;T. Morimoto;Mitsuteru Sato;T. Ushio;Koji Nakazawa;T. Yuasa;D. Yonetoku;T. Sawano;M. Kamogawa;Hideo Sakai;Y. Furuta;K. Makishima;H. Tsuchiya

フランス国立科学研究センター/フランス国立宇宙科学センター/フランス原子力・代替エネルギー庁(フランス)

法国国家科学研究中心/法国国家空间科学中心/法国原子能机构（法国）