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

基本信息

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

项目摘要

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。

闪电放电会发射超过 10 MeV 的伽马射线，称为地面伽马射线闪光 (TGF)。这证明闪电放电产生的强电场将大气中的电子加速到相对论能量。另一方面，TGF 在稠密大气中有效加速和放大电子的机制仍然未知。因此，我针对冬季北陆地区的闪电放电进行了地面伽马射线观测，观测了TGF以及TGF通过光核反应产生的中子和正电子。 2019年度，我们在石川县和新泻县扩大了伽马射线探测器，推进了与闪电放电无线电波观测组的联合研究，建立了从多个角度研究TGF的系统。结果作为三篇主要论文发表。在2018年1月的事件中，在闪电放电前约一分钟，被称为长爆发的伽马射线从雷雨云中发射出来，并且揭示了TGF是从长爆发的位置产生的。由此，我们提出雷云内引起长爆发的强电场区域可能是TGF的来源（Wada et al., Comms. Phys., 2019）。以 2017 年 11 月为例，使用核电站的电离室剂量计将地面上由 TGF 引起的粒子通量（用正常探测器完全饱和）测量为吸收剂量，以及 TGF 的规模和海拔高度估计了发生率（Wada 等人，Phys. Rev. Lett.，2019）。此外，在金泽市观察到的两个案例中，发现 TGF 与一种称为高能云内脉冲的特殊闪电放电同步（Wada 等人，JGR Atmos.，2020）。就这样，我们利用北陆地区有利的观测环境和多波长观测，开创了高能大气物理学的先河。