電波流星観測用の屋外アンテナの感度についての研究および流星の個数とその分布

1、 はじめに５年

沼 勁太朗

担当教諭

稲用 健二

表面温度が約 2000 度まで熱せられると、流星体

私は現在、電波流星観測という活動を行っの表面の物質が気化する。気化した物質が大ている。これは、福井にある福井工業高等専

気中の窒素と衝突することで、窒素は窒素イオ

門学校から送信されている電波を専用のアンとなる。この窒素イオンの発光を、私たちは流ンテナで受信することで、上空の流星をその星と呼んでいる。一般的に、目で観測できる流電波の反射を用いて観測できるというもの

星は地上から約 85km から 115km の間で発光しだ。私は、去年の先輩たちの研究を引き継ぐたものである。また、惑星よりも明るい（－4 等級という形でこの観測を継続してきた。この研以上）流星のことを火球と呼ぶ。

究は、現在私たちの学校とスウェーデンのキルナにあるリムドジムナジエットとの共同〈電波流星観測とは〉研究である「オーロラプロジェクト」の一環

流星は発光する際に，周辺の大気を一時的である。今年は、実際にスウェーデンの学生に電子とイオンにわける”電離”という状態を引きとの合同研究をすることもでき、より深い活起こす。そのため、発行した流星の飛跡では瞬動をすることができた。

間的に電子の濃度が濃くなり、このような濃度が電波流星観測は宇宙にちりばめられてい濃くなった場所を”電離柱”と呼ぶ。電波流星観る流星物質の観測をするために非常に有効測で使用する無線の電波は通常宇宙空間へ突な手段であり、観測を重ねれば蓄積したデーき抜けてしまうが、電離柱は金属のように電波をタをもとにして流星活動を詳しく調べるこ反射する性質をもつ。この性質によって反射さとができる。現在、まだこの観測は始まってれた電波を受信することで流星を観測するという２年目であるが、さらに深く流星や宇宙のあのが、電波流星観測のシステムである。また、そらゆる現象について調べることができるよの反射してきた電波を「流星のエコー」と言う。

うになるためにも、この研究が観測を続けていく後輩たちのきっかけになってくれれば〈電波流星観測のメリット〉

幸いである。

流星観測には、実際に目で流星を観測する眼視観測やビデオで上空を撮影するビデオ観

2、流星と電波流星観測について測などがある。電波観測はこれらの他の観測と〈流星とは〉

比べると、昼間や悪天候の中でも観測できると流星の正体は，宇宙空間に漂っている小さないう特徴がある。また、パソコンを使用するため、チリ（大きさは約２ｍｍ）である。このような、宇宙24 時間体制で流星観測を継続できるというメリッを流れる個体の粒子のことを流星体という。流星トがある。

体が地球へと高速で突入すると、地球上空の大〈流星群について〉

気との摩擦によって熱せられる。（衝撃波加熱）

流星観測を年間継続すると、ある特定の時期

1

5、研究①の概要に多くの流星が見られる時期がある。その期間は１週間程度で、その期間内でも出現数の増減

現在、流星電波観測用のアンテナは学校のがあり、ピークを迎えて減少するという出現を見校舎（高さ約 10m～15m）と昔使われていたることができる。この流星の活動が"流星群"であビニールハウスの枠組み（高さ約 2m～3m）る。流星経路を星図に記入し、流れた方向とはがある中庭に設置されている。（下図参照）

逆方向に延長するとある一点に集中する。つま流星電波観測の専門書の中には「ビルなどり、その期間はその一点を中心に四方八方に流の建物の間にアンテナがあると、アンテナのれる流星の数が多い期間といえる。この"ある一感度は悪くなる」と記述していたものがあっ点"を放射点または輻射点と呼ぶ。この点があるた。アンテナの感度が落ちた原因の一つに、星座の名前を用いて"流星群"と組み合わせ、○これらの建物の影響があるのではないかと○座流星群と呼ぶ。対して、流星を出現方向と考え、アンテナの設置場所を変えることで観は逆に延長したときに空のある一点に定まらな測結果にどのような変化が現れたかを調べい場合、それらは「散在流星」と呼ばれ、流星群ていくことにした。に属する流星とは区別して扱われる。
特定の彗星から分離したチリが原因のものが流星群であり、宇宙上に無数に不規則にあるチリが原因の流星が散在流星となる。
3、研究の内容
今回の研究では以下の２点に重点を置いた。
（研究①）より精度の高い観測の実現に向けて
6、研究①の内容（研究②）観測による流星活動の様子の分析

アンテナの周囲の環境を意図的に変え、そ4、 研究①の動機れによって観測結果がどのように変わった

電波流星観測を継続かを調べる。以下の３種類の環境にアンテナする中、今年に入ってを設置した。

から極端に流星への反応が減少したり、電波（予備観測）中庭の中央を妨害するノイズが多ビニールハウスの枠組みや校舎からあるく現れたりするように程度離れた場所にアンテナを設置し、（次ペなった。その原因はアージ図の円で囲んでいる場所）４日間その場ンテナなどの機材の不所で観測を続け、観測結果に変化があったか具合にあったのだが、原因を調べる中で、私どうかを調べた。この観測がこれ以降の実験はアンテナの置かれている環境がアンテナの比較対象となる。また、観測期間は平成 24の感度に影響を及ぼすことを知った。そこで、

年の 1 月 20 日から 1 月 23 日である。

本格的な観測を始める前に、私はどのような環境がアンテナの感度を変化させるのかを調べることにした。
（上はアンテナの写真）

2

7、研究①の実験結果とその考察（１）校舎とビニールハウスの枠組みの間
中庭にある校舎とビニールハウスの間にア

この実験では感度がどのように変化するのンテナを設置し（下図参照）、そのまま４日間かを、調査するため、流星のエコー数（流星が観測を続け観測結果に変化があったかどうかどれだけ観測されたかを示す数）がどのようにを調べた。また、観測期間は平成 24 年の 6 月変化したかを調べる。流星のエコーには２０秒24 日から 6 月 27 日である。

以下の短いものと２０秒以上続く長いもの（ロングエコーと呼ぶ）の２種類がある。観測結果については、１０分間に流星が観測されたか、観測した流星数はどれだけだったか、観測されたロングエコーはどれだけだったかの３つの視点で整理した。
（１） 予備観測について〈結果〉結果は以下のようになった。
・観測できた回数・・・194 回（576 回中）（２）ビニールハウスの中・観測された流星のエコー・・・469 個アンテナの近くにあるビニールハウスの枠・観測されたロングエコー・・・7 個組みの中にアンテナを設置し（下図、また右段の写真参照）、４日間ほどその場所で観測を続

また、この結果をグラフに表すと下のようにけ、観測結果に変化があったかどうかを調べる。

なった。また、グラフの縦軸は 10 分間に観測

また、観測期間は平成 24 年の 8 月 2 日から 8された流星エコーの数、横軸は何回目の観測な月 5 日である。のかを表す。青線は流星のエコーの数、緑線はロングエコーを表している。
1086420〈考察〉・この予備観測は電波を妨害するようなものが周囲に何もない場所での観測のため、かなりの頻度で観測することができた。
・この期間は現在知られている流星群の活動期間には含まれないため、エコー数が多い時期には散在流星の活動が活発だったと考え（観測（２）の様子）られる。

3

（２） 実験（１）についてすると考えた。

〈仮説〉
校舎もビニールハウスもビルほどに高い〈結果〉結果は以下のようになった。

建物ではない。また、アンテナが室内にある・観測できた回数・・・13 回（576 回中）

わけではなく、空の下にあるので、感度の変・観測された流星のエコー・・・15 個化はあまりないと考えた。

・ロングエコーの数・・・1 個〈結果〉結果は以下のようになった。

グラフに表すと下のようになった。

・観測できた回数・・・74 回（576 回中）9876543210

・観測された流星のエコー・・・145 個・観測されたロングエコー・・・27 個
グラフに表すと下のようになった。
109876543210〈考察〉・予備観測、実験（１）と比べても、感度の大幅な低下がよくわかる。このことから、建物に覆われるような形になると、感度の低下は著しくなることがわかる。

〈考察〉

・この時期はペルセウス座流星群の活動時期

・予備観測の時と比べると、観測できた回数、であるため、最適な観測場所にあればたくさエコー数とともに減少していることがわかる。

んの流星活動をとらえる可能性が高い。しかこのことから、建物の間、もしくは近くにあるし、実験（１）とは違い、実験（２）では流と感度の低下につながりやすいことがわかる。

星活動が活発になってもそれをとらえられ・一時的に観測したエコー数が多くなっているていないことがわかる。

ところがあるが、この時期は知られている流星群の活動時期には含まれていない。したがって、〈全体を通しての考察〉

このエコーの増加は流星群によるものではな

・建物の近くにあるとアンテナの感度が低く、何らかの理由で散在流星の活動が活発にな下することがわかった。よって、これからり、それをとらえたものだと考えられる。の観測ではいかに建物に近づけないかに注意してアンテナを設置する必要がある。

（３） 実験（２）について

・実験（２）での感度の低下は建物に覆われ〈仮説〉たからだけなのか、という疑問が残った。

実験（１）で、建物の近くにあると感度が低8、実験（２）の結果についての文献調査下することがわかった。実験（２）では近づくだけではなく、アンテナが建物に覆われるよう実験（２）の著しい感度の低下の理由が他な形になるので、実験（１）よりも感度が低下に何かあるのではないかと考え、文献調査を4

9、研究②の動機行った。

実験①の成果で、安定した観測状況を確保〈電波を妨害する物質について〉することができた。そして、実際に観測を続

文献によると、身近な電波を妨害する物質

けていくと、流星は毎日観測することができ、には、コンクリート、ガラス繊維、金属の３その数も予想以上に多かった。また、その量つであることが分かった。このことから、金も多い日、少ない日があった。そこで私は、属製のビニールハウスの枠組みが電波を妨流星の数の増減には何か法則があるのでは害したと考えられる。

ないかと考えた。

〈静電遮蔽について〉
10、研究②の概要

ビニールハウスがどのようにして電波を妨害したのかを調べていくうちに、静電遮蔽

流星電波観測用のアンテナは学校の中庭という現象が影響しているのではないかと内にあり、校舎と昔使われていたビニールハ考えた。

ウスの枠組み（金属製）の間に設置されてい静電遮蔽とは、導体で囲まれた空間には電た。これまでは、北側の校舎とビニールハウ界（電気の作用する場）が発生しないというスの枠組みとの間にアンテナがあった。しか性質のことである。これは電気だけでなく電し、前回の研究で、この場所ではアンテナが波にもいえることで、携帯電話をアルミ箔でビニールハウスの影響を受け、感度が低下しつつんだり、携帯ラジオを金網でできた箱なてしまうため、正常な観測ができなくなってどに入れたりすると電波を受信できなくなしまうことが分かった。そのため、できるだる。つまり、電気を通す素材である金属ででけビニールハウスから遠く、かつ、ケーブルきているビニールハウスの枠組みの中にアなどの機器の接続が可能な場所にアンテナンテナを設置すると、流星電波観測用の電波を移動して観測を行った。（アンテナの設置が受信できなくなってしまう。建物による妨場所、そして周りの状況との位置関係につい害に静電遮蔽の影響が重なったことで実験ては次ページの図参照）（２）では感度が著しく低下してしまったと

今回の観測では、観測によって得られたデ考えられる。

ータを様々な観点から整理することにより下の図は実験（２）の様子である。アンテ

流星活動の様子がどうなっているのかを詳

ナの周りを金属製のビニールハウスの枠組しく分析した。

みが囲んでいるので、電離柱によって反射された電波はアンテナよりも先にビニールハウスの枠組みに反応し、それを伝っていくために、ビニールハウスの枠組みで囲まれた空間には電波が入ってこない、つまり、アンテナが電波を受信できなくなるのである。

11、研究②の内容
研究②では、観測で得られたデータを次の5

二つの視点から整理し、流星活動の様子を数同じく、ロングエコーのみでも同様の方式で値化、そしてグラフ化することを目的とした。

グラフを作成した。

（１）一日ごとの流星数およびロングエコー数

250（２） 一日における一時間ごとの流星数および200

ロングエコー数150

また、観測期間は２０１２年の１０月２６日100からの６０日間であった。つまり、（１）の観点50

では６０日間という期間の中で流星数がどのよ00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

うに変化したのかを調べ、（２）の観点では一日という期間の中で流星数がどのように変化したのかを調べるということである。なお、データ〈考察〉の破損、観測機の不調などでデータが不完全だ

・全体的にあまり変化は見られないが、一時的った日は観測結果には入れなかった。に流星活動が活発であったところがあった（３９日目）。この日はふたご座流星群という流星12、研究②の結果の考察群の活動時期にあたるが、この一時的な増加が（１）観点（１）についてはたして流星群の影響によるものなのか、単な〈仮説〉

る散在流星の増加によるものなのかまでは分

流星は毎日観測することができるため、多少からなかった。の増減があっても、その値に大きな変化はないのではないかと考えた。

〈全体を通しての考察〉
・（１）の観点では、流星活動が活発になる様〈結果〉子やその時期をとらえることができた。しかし、流星数のグラフは右段のようになった。なお、縦軸は流星数、横軸は何日目かを表している。

流星数の増減に関する法則や、規則性などの特徴を発見することはできなかった。
（２）観点（２）について
観点（２）では、３０日分の一日当たりの3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0

データをすべて合計したものでグラフを作成した。また、流星活動は自然現象であるために、突発的な増加や減少が起こることがたびたびある。この観点ではできるだけ平均的な値を算出するために、６０日間の期間を A、B、C の３つに分けて、それぞれを算出した。
1 5 9 131721252933374145495357

A は最初の３０日間の合計であり、逆に C は最後の３０日間の合計である。そして B は、

〈考察〉

その二つの中間の期間の合計である。（次ペ・前半部分に比べると、後半部分では流星数のージの図参照）この方式の中で B は、より正増減が激しい。この原因は流星活動の活発化、確な１日あたりのデータを出す役割を持っまたは多くのノイズの発生と考えられる。ている。

6

増加したり減少したりを繰り返している様子がわかった。
同じく、ロングエコーのみでも同様の方式でグラフを作成した。グラフの線は同じく青色が A、赤色が B、緑色が C となっている。
（０時の段階で、上から C、B、A となっている。）
150

〈仮説〉
100

データを処理していると、一日の中でも流星が多い時間帯、少ない時間帯があるので、一気50に増加したり減少したりするのではないかと考えた。

0〈結果〉

0

流星数の結果は下のようになった。なお、

2468 10 12 14 16 18 20 22

グラフの縦軸は流星数、横軸は時刻を表わして

なお、３つのグラフの平均値が下である。

いる。

140120100806040200なお、グラフの線は青色が A、赤色が B、緑色が C となっている。
（０時の段階で、上からC、B、A となっている。
）
3500
3000
2500

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

2000
1500
1000

〈考察〉

500

・流星数全体の時と比べると形は少し異なるが、0増加したり減少したりしているという変化に
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

関しては、同じであった。

なお、３つのグラフの平均値が下である。
3000〈全体を通しての考察〉

2500

・流星数の増減の様子をもう少し詳しく見てみ2000

ると、全体の流星数とロングエコーのみのどち

1500

らでも、1000ⅰ）朝方から午前中にかけて増加している。

500ⅱ）午後になると、午後の中盤あたりまで減少0している。

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22ⅲ）一度減少した後には、その日が終わるまで増加する。

〈考察〉

・次ページの図は、A の期間と C の期間を連続・期間ごとに少しの差はあるが、どのグラフもさせたものである。

7

られる。（「流星電波観測ハンドブック」より抜（全体の流星数）粋）』
下の図は、地球の公転軌道の様子である。地球は一年をかけて、太陽の周りを円状の公転軌道を通って一周している。文献ではこの公転運動が流星数の年周期の原因であるとあった。

（ロングエコーのみ）（２）（１）を踏まえた予想
この図から、一日のなかでの流星の増減、つ（１）によりわかった事実から、流星の年周まり流星の日周期は増減を繰り返していく波期が地球の公転の影響を受けているのであれの形を描くのではないかというように考えた。

ば、日周期の変化は、同じ１日の中で起こる変化である地球の自転によって引き起こされる13、研究②の観点（２）についての文献調査ものではないだろうかと考えた。また、その仕観点（２）では、流星の日周期をグラフ化す組みを自分なりに考えてみた。

ると波を描くのではないかという考察を得た。

ⅰ）下は、地球の公転軌道上での運動の様子をはたしてこの考察は正しいのかを調べるため横から見た時のモデル図である。地球が公転軌に、以下の３つの視点から文献調査を行った。

道上を動く時、流星の原因となる宇宙上に散ら（１）流星数の周期変化について

ばるチリは地球の進む方向とは逆の方向に地（２）（１）を踏まえた予想球にぶつかることになる。この時、チリは地球（３）大学の先生からのご意見の公転軌道と平行になる形で地球にぶつかる。
（下図参照）（１）流星数の周期変化について調べたところ、流星数には年周期が存在することがわかった。下は文献からの引用文である。
『散在流星が地球の公転軌道上に均一に分布していると仮定すれば、その観測数の年周変化は地軸の傾きと地球公転方向の角度の関係で、１年間を周期とする正弦波状の変化をすると考え8

ⅱ）下は、ⅰ）の図をさらに簡略化したものである。電波流星観測では、このように地球に衝突したチリを観測するので、観測地点を A 地点とおくと、その観測範囲はチリに対して垂直になると考えられる。（下図参照）また、宇宙上に散らばるチリはあまりにも多く、数えることは不可能なため、観測した流星数の数が多ければ多いほど、観測範囲が広いと考えることができる。つまり、流星数は観測範囲の大きさに比以上より、観測範囲の大きさには sinθの値例すると考えた。

が関わるので、流星数にもその影響がでたのではないかと考えた。
（３）大学の先生からのご意見（２）で立てた予想について、電波流星観測に詳しい宮崎大学工学部の前田幸治教授にご意見をいただいたところ、自分の予想には２つほど見落としていた点が見つかった。
ⅲ）また、ⅱ）で考えた観測範囲の大きさは、（１）チリの運動について

地球の中心を O、観測範囲の頂点を P とおくと、右の図は地球の公転軌道上公転軌道と OP によって形成される角θを使っでの運動の様子を上から見たて、OP×sinθの式であらわすことができる。

モデル図である。自分の予想またθの値が変われば観測範囲の大きさも変ではチリは地球の公転軌道上化する。
（下の図参照）に対して平行にぶつかるとあったが、実際は右の図のように、地球に対してランダムにぶつかる。つまり、チリは地球に対して平行にぶつかるわけではない。
（２）観測範囲について
右は電波流星観測の観測範囲を前から見た図である。この観測はⅳ）また、地球の地軸は傾いているために、地電波の反射を用いて観球が自転すると観測地点は地軸に対して垂直測を行うため、右図のに移動する。観測地点が地点 A から地点 B にように観測範囲は地点移動すると、ⅲ）の角θの角度は変化するため、A と地点 B の間に形成観測範囲も変化する。
（右段の図参照）される。つまり、観測範囲は地球上に平面上に発生し、その面積を求めることはとても難しい。

9また、前田幸治教授によると、流星数の日周していくことを心から期待しています。

期は確かに自転の影響から sin カーブに似た形
16、参考文献を描くことが分かっている。しかし、あくまでも似ているだけであり、実際にはチリや地球の・CQ ham radio 流星電波観測ガイドブック

運動を細かく観察し、それを計算したときに（CQ 出版社出版）

sin が関係した式を導くことができるとのこと・天体観測の教科書 流星観測（誠文堂新光社）であった。

・ハムのアンテナ・テクニック （山海堂）

14、終わりに今回の研究では、アンテナの感度の精度をあげることから始まり、最終的には流星数の日周期にまで触れることができた。日周期については、完璧な正解にたどり着くことはできなかったが、変化に sin の値が関係すること、そしてそれは地球の自転の影響を受けていることを観測によって推測できたことは大きな成果だと考えている。
しかしながら、観測期間がまだ短く、集めたデータがまだ不十分であったことが今回の反省点である。さらなる流星活動の調査のためにも、研究を受け継ぐ後輩たちには良い観測状況をしっかり維持し、貴重な観測データをしっかり集めてもらいたい。

15、寸評
県高総文祭自然科学部門、九州高等学校生徒
理科研究発表大会での発表、スウェーデン学生との「宇宙」をテーマにした学校国際交流など、機会あるごとに貪欲に学んでいこうとする姿には正直感動しました。総合的な学習のモデルとなった学校として、「より本質的な学びとは何なのか」ということを常に問い直し続ける学校として、また、「２１世紀の国際社会に通用する人材の育成を目指す」とした設立理念をもつ学校として、１つの素晴らしい模範となる姿勢だったと思います。今後、後輩たちが沼君の研究姿勢を見習い、よりよい成果を出していってくれることを心から願っています。沼君自身が今回の研究をきっかけにさらに大きく飛躍

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