富士山で観測された地球ガンマ線フラッシュDavid M. Smith1，鴨川仁 2，J. Ortberg1，J. Chaffin3，王道洪 4，Ting Wu4，鈴木智幸２
1. カリフォルニア大学サンタクルーズ校， 2.静岡県立大学， 3. Air Force Institute of Technology，4.岐阜大学

大学サンタクルーズ校で開発されたGODOT（for Gamma-rayObservations During Overhead Thunderstorms ） と THOR
（Terrestrial High-energy Observations of Radiation）という2つの検出器システムを用意した．GODOTの方が古いシステムで（日本には2015年に初稼働），THORは2022年が初年度であり，いくつかの改良が加えられている．
2022年は初めてTGFを3回観測した．これらは「コンパクトリターンストローク」と呼ばれる，地面から2 km以内に発生する雲から地面への負極製対地雷で，一般的に非常に強力なリターンストロークを有していた13)．
FALMA 呼ばれる LF 帯電波観測アレイのデータ 14)を用いて，冬季雷におけるコンパクトなリターンストロークと TGF の関連付けが行われている 15)．

１．はじめに地球ガンマ線フラッシュ（TGF）は，ごく一部の稲妻に付随するミリ秒以下のガンマ線のバーストである．NASAのコンプ
ト ン ガ ン マ 線 観 測 の BATSE （ Burst and Transient SourceExperiment）装置によって発見された1)． 現在でも，我々が知っているTGFのほとんどは，人工衛星から観測されている．
なぜなら，衛星は一度に100万km2までの地球表面を観測することができるからである．軌道上の発生源から600 kmの距離
でも，TGFはガンマ線検出器の計数能力を飽和させ，その強度を発生源まで外挿すると，放射線が発生する事象のちょうど中心部にいる人に大きな健康リスクがあると予測される2）, 3)．
しかし，これまでに様々な衛星から観測された何千ものTGF は，ほぼ全て上向きリーダーの雲放電によるもので，ガンマ線が十分に宇宙に出て行きにくい高度 8～10km 未満でTGF がいつ，どのくらいの頻度で発生するかについては何もわかっておらず，加速電子と制動ガンマ線が地上に向かって下降する TGF については何もわかっていない．米国フロリダ
での最初の発見 4)を皮切りに，いくつかの下向き TGF が様々な地点で観測されている．近年，地上からの TGF 検出では日本が世界最大の拠点となっている 5-8)．これらの事象は，北陸地方沿岸の強力な冬季雷の際に検出された．
ここでは，日本で初めて夏期に観測された TGF を報告する．また，スイスのサンティス山で発見された 3 つの TGF9)と共に，孤立した山の気象環境で見られた最初の TGF でもある．
最後に，以後の 3 つのイベントのうち 2 つは，下降するステップリーダーのステップに伴う，弱い X 線のバーストが先行していた．この種のステップリーダーX 線バーストは負極性落雷のステップトリーダーで何度も報告されている 10, 11)．この X 線のエネルギーは TGF 光子より 1 桁低く，加速される電子の数は TGF パルスより 4-5 桁低い傾向がある．ステップトリーダーが高エネルギー電子を十分に高い背景電場に射出すると，電子はさらなる逃走加速を起こし，スペクトル的には TGF に似ているが，より短いバーストで低輝度で放射される事象が発生することがある 12)．

３．結果
図1から図3は，FALMAによる LFの電界波形と，THORの3つの検出器（体積3350 cm3 (大型プラスチック，LPL)，261 cm3(中型プラスチック，MPL)，6.5 cm3 (小型プラスチック，SPL)）のガンマ線データとの関係を示しています．各三角形のシンボルは，記録された1つのカウントを表し，それは1つの光子であることもあれば，互いに300 ns未満で発生した，より多くの光子を表すこともあります．THORはこのように検出器の体積に幅を持たせているため，大きな検出器ではカウント数が多いためにデッドタイムやパイルアップの影響が大きくなる場合でも，小さな検出器ならそれほど歪むことなく観測することができる．将来の論文では，3つの検出器すべてのデータを使って，検出器に入射する放射線の真の時間プロファイルを推測する予定である．このモードでは，光電子増倍管の出力電流（トレース）を80 MHzでデジタル化し，事象の約300 μsを記録している．このデータモードは，我々が見ている事象が，電磁波ノイズによって引き起こされたのではなく，シンチレーターからの光のバーストとして正しいパルス形状を持っていることを保証し，放射線のカウントレートの履歴とエネルギースペクトルをよりよく拘束するために使用することができる．このモードについては，将来の論文で紹介し，分析する予定である．
図 1 から図 3 では，FALMA の波形はコンパクトなリターンストロークの典型的な挙動を示している．ステップトリーダーの典型的な信号が数百マイクロ秒続き，その後に強力なリターンストロークが続く．図3 のステップトリーダーの振幅はかなり小さく，この事象ではステップに関連する X 線は見られず，TGF パルスもかなり弱く，小型プラスチック検出器ではほとん

２．観測
ガンマ線検出器システムは，直近では2022年の夏のキャンペーンで，4回にわたって富士山頂に配備された．北陸の冬季雷と同じように，夏の富士山では，雲の高電場領域が地表から2 km程度以内にあり，介在する空気によるガンマ線の吸収を最小限に抑えることができる．2022年は，カリフォルニア＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
連絡先：デイビット・スミス (David SMITH) dsmith8@ucsc.edu
31

ど応答がない． しかし，FALMA のアレイ観測点は北陸地方にあるため富士山からは数百キロ離れており，富士山付近で起きた事象は，FALMA のどの観測点もほぼ同じ距離にあり，電磁波においては抑制されたステップトリーダーであったということが物理的にも重要であるがわかる．
図 1 から図 3 における各図の下の 3 つの図は，それぞれTHOR 内の大型，中型，小型ガンマ線検出器（LPL，MPL，SPL）のデータを示している．TGF の間，2 つの大型検出器は多かれ少なかれ圧倒され，小型検出器だけが最後の 2 ステップを偏りなく見ることができる．しかし，大型検出器だけがステップの間の X 線を検出するのに十分な大きさを持っている．
大型検出器（LPL）でのリターンストロークのよく後のカウントの散布は，検出器と近隣の物質で捕獲される中性子によって生成され，ガンマ線とベータ線をもたらす 8)．時間遅れは，（非相対論的）中性子が大気中を移動・散乱し，検出器に到達するまでの時間に由来する．

図 2 TGF に至るまでのリーダーステップを示す 2 回目のイベント．

図1 2022年7月26日に富士山頂で観測されたステップリー
ダーX線/TGF複合イベントのVLF電波信号とX線時間/エネ
ルギー散布図（時刻は日本時間）．

図3 2022年7月26日のコンパクトなリターンストロークに伴う別のTGF． TGFはずっと弱く，その後の中性子も見られない．
段差は電波でより弱く，段差のあるX線は見えない．

32

図 1 の上段は，100km 以上離れた FALMA が検出した電波信号で，一連の小さなパルスは，地上に近づくリーダーのステップを表し，最大の信号は，リターンストロークの電流によって引き起こされるものである．下の 3 つの図は，THOR に搭載された 3 つの放射線検出器による X 線・ガンマ線の検出結果を示している． 高エネルギー光子のエネルギーは縦軸の点で示され，横軸は時間であり，最初のパネルの電波データと同じスケールである．ステップに付随する弱い光子のバーストが見えますが，最も明るいもの（TGF）は，最後のリターンストロークの近くで起こっていることがわかる．TGF のガンマ線は，空気分子の原子核に衝突して電子を放出する． 約 9
MeV 以上のエネルギーのガンマ線だけが空気との衝突時に中性子を生成するので，中性子の存在は，TGF のエネルギースペクトルが X 線ステップリーダーの低エネルギースペク
トル 11)よりも TGF の相対論的逃走スペクトル 16)の典型であることを確証している．

Models, J. Geophys. Res. Atmos., 126, e2020JD033907.
4) Dwyer, J. R. et al. (2004), A ground level gamma-ray burst
observed in association with rocket-triggered lightning,Geophys. Res. Lett., 31, L05119.
5) Umemoto, D. et al. (2016), On-ground detection of anelectron-positron annihilation line from thunderclouds, Phys.
Rev. E, 93, 021201.
6) Wada, Y. et al. (2019), Downward Terrestrial Gamma-Ray
Flash Observed in a Winter Thunderstorm, Phys. Rev. Lett.,
123, 061103.
7) Enoto, T. et al. (2017), Photonuclear reactions triggered bylightning discharge, Nature, 551, 481-484.
8) Bowers, G. et al. (2017), Gamma Ray Signatures of Neutrons
From a Terrestrial Gamma Ray Flash, Geophys. Res. Lett., 44,10,063-10,070.
9) Chaffin, J. et al. (2023), in progress10) Moore, C. B., K. B. Eack, G. D. Aulich, and W. Rison (2001),
Energetic radiation associated with lightning stepped-leaders,Geophys. Res. Lett., 28, 2141– 2144.
11) Dwyer, J. R. et al. (2005), X-ray bursts associated with leader
steps in cloud-to-ground lightning, Geophys. Res. Lett., 32,L01803.
12) Abbasi, R. et al. (2018), Gamma Ray Showers Observed at
Ground Level in Coincidence With Downward LightningLeaders, J. Geophys. Res. Atmos., 123, 6864.
13) Wu, T. et al. (2021), The Strongest Negative Lightning
Strokes in Winter Thunderstorms in Japan, Geophys. Res.
Lett., 48, e95525.
14) Wu, T., Wang, D., and Takagi, N. (2018), Lightning MappingWith an Array of Fast Antennas, Geophys. Res. Lett., 45,3698-3705.
15) Wada, Y. et al. (2022), Characteristics of Low-Frequency
Pulses Associated With Downward Terrestrial Gamma-Ray
Flashes, Geophys. Res. Lett., 49, e2021GL097348.
16) Smith, D. M. et al. (2005), Terrestrial gamma-ray flashes
observed up to 20 MeV, Science, 307, 1085.

４．まとめ
今後は，TGF と大気や検出器との相互作用のシミュレーシ
ョン，検出器の電子回路のシミュレーション，およびトレースモードデータの断片を使用して，各フラッシュにおけるステップと最終 TGF の相対スペクトルと強度を導出する予定である．
これにより，ステップトリーダーとTGFが全く別の現象なのか，あるいは，ステップが地上に近づくにつれて「TGF 的」（より明るく，より長く，より硬いスペクトル）になっていくのかを判断することができる．
参考文献
1) Fishman, J. et al. (1994), Discovery of Intense Gamma-Ray
Flashes of Atmospheric Origin, Science, 264, 1313-1316.
2) Dwyer, J. et al. (2010), Estimation of the fluence of highenergy electron bursts produced by thunderclouds and theresulting radiation doses received in aircraft, J. Geophys. Res.
Atmos., 115, D9, D09206.
3) Pallu, M., Celestin, S., Trompier, F., Klerlein, M. (2021)
Estimation of Radiation Doses Delivered by Terrestrial
Gamma Ray Flashes Within Leader-Based Production

33