[M-IS13] 大気電気学：大気電気分野の物理現象解明から減災への応用まで

[MIS13-07] 2018年度からの5年間にシチズンサイエンス「雷雲プロジェクト」で検出されたガンマ線グローとレーダー観測の比較

*鶴見 美和^1,2、榎戸 輝揚^1,3、一方井 祐子⁴、辻 直希^1,3、Gabriel Diniz¹、篠田 太郎⁵、Wu Ting⁶、Wang Daohong⁶、高垣 徹⁷、三宅 晶子⁸、中澤 知洋⁵、森本 健志⁹、中村 佳敬¹⁰、鴨川 仁¹¹、土屋 晴文¹² (1.京都大学、2.青山学院大学、3.理化学研究所、4.金沢大学、5.名古屋大学、6.岐阜大学、7.TAC、8.茨城工業高等専門学校、9.近畿大学、10.神戸市立工業高等専門学校、11.静岡県立大学、12.日本原子力研究開発機構)

キーワード：ガンマ線グロー、シチズンサイエンス、放射線多地点観測

発達した雷雲の内部では、強い電場によって電子が相対論的な速度まで加速され、制動放射によりガンマ線が放射される。そのような現象の一つである「ガンマ線グロー (Gamma-ray glow)」は、雷雲の通過に同期して、数十秒から1分程度にわたり、10 MeV以上に及ぶガンマ線が地上で検出される。このエネルギーのガンマ線は大気中では数百mで減衰するため、ガンマ線グローを地上検出するためには、高度の低い雲を観測する必要がある。冬季の日本海沿岸は、大陸からの冷たく乾燥した空気が暖かい対馬暖流の上を通過する際に低高度の雲が発達するため、ガンマ線グローの地上観測が活発に行われてきた。2006年に立ち上がったGROWTH 実験では、冬季の北陸にガンマ線検出器を設置して観測を行い、これまでに70 例以上のイベントが検出されている。これらの先行研究によって、雷雲中の電場によって電子が加速されガンマ線が放射されていること、その電場領域は雷雲内で帯電した氷晶やあられなどの粒子によって生成されていることなどが分かってきた。しかし、限られた観測地点数であったため、移動する雷雲を追跡することが難しく、雷雲ガンマ線の成長や消失、継続時間といった時間変化や、雲内の電子加速領域の高度や大きさなどの空間分布が測定出来ないといった点が課題であった。
これらの課題を解決するためには、さらに検出器の設置場所を増やして観測を行い、レーダーによる雷雲内部の発達度合いや雲を構成する粒子の判別からガンマ線を放射している領域を特定し、その大きさを見積もる必要がある。「雷雲プロジェクト」ではシチズンサイエンスの枠組みを用いて多地点マッピング観測を行なっている。このプロジェクトでは、北陸に住んでいる市民サポーターにご協力いただき、片手で持ち運べる軽量で小型なシンチレータ型の放射線検出器「コガモ」を冬季の石川県金沢市の周辺に設置し、さくらIoTによる自動データ送信と組み合わせ、大規模な観測網を構築している。コガモにより、GPSで時刻付けされた0.2-10~MeVのガンマ線光子のイベントデータ、気温、湿度、気圧などの環境データを測定することができる。多地点で観測網のサイズと密度をあげて雷雲を追跡することで、(1) 雷雲内の電子加速がどのように開始しどのくらい継続し、どのように終わるのか、(2) どのような雷雲で電子加速が起きているのか、(3) 加速された電子が雷放電のトリガーになることはあるのか、といった雷雲ガンマ線の謎の解明を目指している。2023年度は69台のコガモ検出器を、金沢市を中心に石川県の全域に設置して、11月から3月まで観測を行なっている。
雷雲プロジェクトによって観測された2018年度から2022年度の5年間のデータの中から、ガンマ線グローのイベントを探索した結果、少なくとも40個ほどのイベントが見つかった。さらに国土交通省が運用する X バンド気象レーダーを用いて、それぞれのイベントが発生した時刻に検出器上空にあった雷雲を解析し、雷雲の発達度合いや雲を構成する雨粒、氷晶、霰といった粒子の空間分布を調べた。その結果、イベント発生時刻に検出器の上空に発達した降水エコーと霰の領域が見られた。着氷電荷分離機構によると、雷雲内のあられは典型的に-10度以上では正、-10度以下では負に帯電する。これを用いて雷雲内の電荷構造を推定した結果、電子加速が発生した電場領域は、地上から上空2 km付近に位置していたと考えられる。また、鉛直分布の時間変化を見てみると、検出5分前から検出5分後にかけて、発達した降水エコーの領域と、湿った霰の領域の高度が下がっていた。このことから、ガンマ線グローは雷雲の「衰退期」に電子加速領域が地上に近づいた時に検出されていると考えられる。本講演では、5 年間のガンマ線グローデータの系統解析とレーダー解析の結果を報告する。