富士山における地方時型晴天時大気電気変動の観測
阪井陸真 1 、鳥居建男 2 、保田浩志 3 、大河内博 4 、鴨川仁 1
1.東京学芸大学物理科、2.日本原子力研究開発機構、
3.放射線医学総合研究所、4.早稲田大学理工学術院
1. はじめに晴天時の大気電場変動は全世界で同時に変化をする (以後、世界時 (Universal Time: UT)型と記載する) (MacGorman and Rust, 1998)。しかしながら、山岳においては地方時（Local Time:LT）での日変化を示すことが 1950 年代から指摘されている(以後、地方時型と記載する) (Israël,1952; Chalmers, 1957; Ogawa, 1960; Muir, 1977; Raina and Makhdomi, 1980; 関川, 1960)。この変動は日の出とともに大気電場が上昇し、日の入りとともに定常値に戻ることから、本現象は日の出・日の入効果（Sunrise Sunset effect）ないしは山岳で観測されることから山岳効果（Mountain effect）と呼ばれている。Israël (1952)、Chalmers (1960)、Ogawa (1977)は、これらは夜明けに生じる人間活動起因の大気粒子が原因であるとした。さらに Kasemir (1956)は、大気の循環が原因であるとし、Raina and Makhdomi (1980)は、日光が当たることによる電極効果であることが原因であるとした。その後もいくつかの論文で説明を試みているが、現象は明確に解明できたとは言えない。
日本最高峰である標高 3776m の富士山山頂においても、大気電場をはじめとした大気電気現象の通年観測が関川によって 1957-1958 年に行われた(関川, 1960)。大気電場の連続観測で得られた晴天時大気電 場の季節ごとの平均 日変化 曲 線は、春、夏 、秋 は地方 時型だが、冬季は全く異なり世界時型になると報告している。一般に晴天時の日中、陸上における高度 1～2km 以下の混合層(mixing layer)では対流活動が盛んであり、大気電場に影響を与えるエアロゾル濃度が比較的高いと言われている。関川の解釈では、これらの晴天時電場の地方時型は、この混合層起源のエアロゾルの影 響 だとしている。さらに冬 季 における富 士 山
山 頂 大 気 は 、混 合 層 を 突 き 抜
けた上 層 大 気 と同 一 となるため、晴 天 時 電 場 は世 界 時 型 になるとしている。
以 上 より、世 界 時 型 を示 さな
い山 岳 における大 気 電 場 変 動の起因は未解明であるため、本研 究 では富 士 山 山 頂 にて大 気Fig. 1 富士山山頂で測定された大気電場変動 (赤線)、電場観測を行いこれらの発生メ10 分毎の日照時間(水色線)および気温(青線)の一例。
カニズムを探る。
2. 測定方法
本研究では Boltek 社製のフィールドミルを用いて、富士山山頂において晴天時大気電場の計測を行うべく富士山測候所に装置を設置した。計測は 2009、2010、2011 年の７月下旬から 8 月下旬のそれぞれ約１ヶ月間行った。温度・日照時間の気象データは、気象庁による測定値を用いた。
富 士 山 全 景 を見 るための雲 カメラ画 像 は環 境 省 自 然 環 境 局 生 物 多 様 性 センター (N35°27’10”,138°45’44”)の画像データ、山頂からはワテック社 WAT-232 による天頂雲連続観測および適宜、山頂滞在時にデジカメによる雲海、天頂方向の雲撮影を行った。
さらに富 士 山 山 頂 での大 気 電 場 値の校正を行うため、地方時型変動がみら れ な い 夜 間 値 (2010/8/133:00-3:10LT)を用 いて、同 時 刻 の小 笠
原 父 島 での晴 天 時 大 気 電 場 値 と比 較し校正を行った。
2011 年においては、山頂から雲海を 撮 影 す る カ メ ラ 画 像 (富 士 宮 方 向および山梨)を入手し、雲海下部になる太郎坊においても大気電場およびFig. 2 晴天時の大気電場と気温の平均図。
天頂方向の雲撮影を行った。

Fig. 3 大気電場の上昇(中段)とそのときの雲の様子（時刻順に上段から下段）。

3. 測定方法
関川(1960)と同様に山頂における大気電場変動は晴天時に世界型を示すことはなく地方時型を示した(Fig. 1)。つまりほぼ日の出とともに大気電場が正に上昇し、日の入りとともに減少する。また、この変動は最小値と最大値の比が約 3 倍程度になり、世界時型での約 1.5 倍程度と比べるとはるかに日中の強度が大きい。晴天時での変動は気温 との相関が見られたため、山頂に雲がない状態(山頂に設置された日照計データおよび全天カメラから判断) 8 日分の大気電場変動と気温の各時刻における平均図を求めた(Fig. 2)。相関解析を行うと温度は大気電場より 40 分先行して変動していることが分かった。なお室内実験より、測定に用いているフィールドミルに温度依存性はないことが分かっている。この温度変動が先行することを調べるために雲画像を調べたところ、いずれの場合も雲が気温上昇とともに発達し雲海が生じていることが分かった(Fig. 3)。この雲頂は山頂から撮影されたカメラから 3500m 前後の一定の高度になることがわかる。通常、電荷を持った雷雲および対流雲(一部は成長し雷雲になる)でない平常時の雲の電荷は大きくないが、雷雲と同様に上・下部に正・負の電荷が蓄積される(MacGorman and Rust, 1998)。故に、雲海のわずかな電荷の電場が山頂での観測に影響を与えていることが予想される。さらに、Fig. 3 によれば太郎坊での大気電場の計測では、山頂における大気電場と反対に雷雲の成長と共に電場が小さくなっている。
そのことからも仮説を指示していることがわかる。
4. 数値計算による検証
雲海から生じる電荷がどのように山頂に電場を生じさせるかを調べるために、
電位 ϕ および電場 E を数値的に算出した。本 研 究 では二 次元 のポワソン方 程式
ΔE = - ρ(x, y) / ε(1)をガウス=ザイデル法にて取り扱う。ここで x, y は、それぞれ水平、鉛直方向、εは空気中の誘電率、ρ は電荷密度を表わす。雲海がない場合の山頂における大気電場が 40V/m かつ雲海の存在で山頂での電場が 3 倍程度つまり120V/m になるためには、雲 海 の上 部に電荷面密度 1×10 -10 C/m 2 程度の正電荷が必要である(Fig. 4)。一方 、Fig.
4 (c)で示されるように、雲海の雲頂・雲底 の電 荷 を逆 にすると観 測 とは一 致 しない。つまりこのことからも雲 海 内 の正負 の電 荷 配 置 も正 しい事 が理 解 できる。
5. おわりに
富 士 山 山 頂 における地 方 型 大 気 電場変動 は、夏季 期間に気 温上昇とともに発生する雲の雲頂に生じる電荷によるものが起 因であると考 えられる。長 い間 、日 の出 ・ 日 の入 り効 果 ない しは山岳効果と呼ばれていた山頂における地方 型 大 気 電 場 変 動 も同 様 な仕 組 みで生じている可能性が高い。

(a)

(b)

(c)
Fig. 4 富士山山頂周辺の電場。(a) 雲がないケース，(b) 雲海における雲頂が正電荷のケース，(c)雲海における雲頂が負電荷のケース。

参考文献
MacGorman, D. R., and Rust, W. D. (1998) The Electrical Nature of Storms, 422 pp., Oxford
University Press, New YorkIsraël, H. (1952) The Diurnal Variation of Atmospheric Electricity as a
Meteorological-Aerological Phenomenon, J. Atmos. Sci., 9, 328-332.
Chalmers, J. A. (1957) The effects of condensation nuclei in atmospheric electricity, Pure Appl.
Geophys., 36, 211-217.
Ogawa, T. (1960) Diurnal Variation in Atmospheric Electricity, J. Geomag. Geoelect., 12, 1-12.
Muir, M. S. (1977) The potential gradient sunrise effect in atmospheric electricity, J. Atmos.
Terr. Phys., 39, 229-233.
Kasemir, H.W. (1956) Zur Strömungstheorie des luftelektrischen Feldes III: Der
Austauschgenerator. Meteorologisches Observatorium Aachen des Deutschen
Wetterdienstes,551, 1-14.
Raina, B. N. and Makhdomi, B.A. (1980) On the sunrise effect in atmospheric electricity , J.
Atmos. Terr. Phys., 42, 155-160.
関川俊夫 (1960), 富士山頂における気象電気の観測, 天気, 7, 65-71.

*連絡先：鴨川仁(Masashi KAMOGAWA)、kamogawa@u-gakugei.ac.jp