高々度発光現象(スプライト)の観測
５年Ａ組

三口雄大

指導教諭

藤野智美

１．要約
私たちサイエンス研究会地学班のテーマの１つに高々度発光現象（スプライト）がある。
近年まで記録が難しかったスプライトは、今日の技術向上と高感度カメラの性能が上がったことによって研究が可能になった。そして今年、高知工科大学と全国 29 校の SSH 校が連携してスプライトの同時観測を行うことになり、私たちは本校を代表してこのコンソーシアムに参加することとなった。ここではその活動内容と観測結果を報告する。
キーワード

雷、高々度発光現象、スプライト、同時観測

２．研究背景私たちがよく目にする雷という発光現象は、実は落雷のメカニズムの一部でしかしいことがほとんど分かっていないので、今回の同時観測による新しい発見が期待される。

ない。例えば、今回研究するスプライトは、落雷と関係の深い高々度発光現象の仲間で３．研究目的ある。高々度発光現象というのは、雷雲の先にも述べたように、本研究は高知工科できる対流圏よりもさらに高い中間圏で発大学と全国の SSH 校が連携して行い、これ生する発光現象のことである。スプライトによって世界的な成果を収めている。１つは、この高々度発光現象の１つである。雷の現象を同時に観測するという活動には、よりもさらに高い位置で、ほんのわずかに以下のような目的、意義があるといえる。

光る発光現象である。このほかにも、エルブスやブルージェットと呼ばれる数種類の〈今回の同時観測の目的〉発光現象がこの仲間としてあげられる。

・発光メカニズムの解明

19 世紀初頭に存在が予測され、落雷に伴雷とスプライトの特徴の対応関係を詳細ってできると考えられていたが、発光時間に調べることで、スプライトの発光についが非常に短く、また、雲より高いところでてだけでなく、雷の発生メカニズムの本質起きるスプライトは、その存在を確かめるにも迫ることができると期待される。

ことができず、単なる理論として見なされ・スプライトの持つスペクトルの確認てきた。しかし、最先端の技術によってそ分光観測を行い、スプライトがどのようれを確認する方法が確立したので、観測がな色で構成されているのか確認することにより身近なものとなり、研究が可能になっ

よって、発光のメカニズムや直接観測するたのである。スプライトについてはまだ詳ことが困難とされてきた中間圏の様子を予測することができる。

仮説が立てられる。どれも今回の同時観測・立体像の解明の目的と意義に沿っているので、これらの多地点から観測することで花火が球状に仮説の真偽が観測によって明らかにされる広がっていることが確認できるように、ことが期待される。

高々度発光現象の立体像を解明することが①スプライトの発生メカニズムは地上に同時観測によって可能である。これは、今落ちてくる雷や雷雲に帯電されている回の同時観測における最大の目的であり、電子と関係があるのではないか。

立体像は観測地点が増えるほど正確に予測②高々度発光現象のスペクトルに、大気中することができる。なお、立体像の確認は（それらが発生する中間圏）に存在する世界的にも例がほとんどない。

粒子による色が見られるのではないか。
③本来、夏季に見られるはずのスプライト〈同時観測を行うことの意義〉

が、日本では冬季にも観測されるのは、・正確な観測結果を得る

地形や暖流などによるものではないか。

１つの発光現象を様々な位置から確認することによって、より正確にその姿をとら（２）研究内容えることができる。さらに、その現象の立〈高々度発光現象とは〉体的な像も得ることができる。
・発光現象を逃さず捕える

高々度発光現象というのは、雷雲のできる対流圏よりもさらに高い中間圏で発生す複数の観測者がいることで、発生が予測る発光現象のことである。スプライト、ハできない発光現象を確実にとらえることがロー、エルブス、ブルージェットなどが例できる。複数の学校が集まることで、それとして挙げられる。スプライトはニンジンぞれの欠点を補い合うこともできる。の形をしたもの、それを束ねたようなカラ・スプライトの多発地域を特定するム状のものがあり、それぞれキャロット型、日本は数少ない冬季のスプライトが観測

カラム状スプライトと呼ばれている。他にできる地域である。まだまだ未解明な部分も縦に伸びている青い光をブルージェット、の多い日本の冬季スプライトの分布についさらに高度の高いところで発生する直径ても調べることができる。

300 キロメートルほどの光の輪をエルブス・情報を共有すると呼んでいる（図 1 参照）。

始まったばかりの研究であるため、少し巨大な積乱雲でもせいぜい発生するのでも多くの情報を得て、それを共有するこは高度 10 キロメートルまでだが、この発光とが大切である。より多くの観測結果と情現象は 80 キロメートルにも達する。気球で報が得ることが新しい発見へとつながる。

さえも到達が困難となるほどの高さなので、観測は地面か宇宙からの観測に限られる。

４．研究内容さらに、発光時間が非常に短いため、以前（１）仮説はその存在を確かめることさえも、とても現在、スプライトに関して以下のような難しかった。

図１

スプライト

しかし、アマチュアの観測者が偶然観測

図２

発光のメカニズム〈コンソーシアムでの活動報告〉に成功し、一気に注目度が増すことになる。

2008 年 11 月、SSH コンソーシアム高現在では、UFO キャプチャーという空中の知研究会（全 21 校が参加）へ出席した。

動体を検出できるソフトにより、この非常参加継続校各校の取り組み状況、結果、課に稀な現象を確実にとらえることができる題を聞き、今後の観測活動について議論しようになった。そして、専門の研究者だけた。ここでは、今回のコンソーシアムでのでなく、高校生にも撮影が可能になった。

研究内容について詳しく述べる。

通常、雷は雷雲の中の負電荷を中和するために地面に落ちることが多い（図 2 の中Ⅰ．各校の取り組み状況

央より左側）が、稀に正電荷の中和に伴っはじめに、以前からこのコンソーシアムて発生することがある（図２の中央より右に参加している学校の現在の取り組み状側）。正電荷の雷の直後、気圧の低下により、況について発表があった。

電離している大気の、密度が局所的に高い電離層と雷雲の間に下向きの強い電場がかかる。すると、正や負の電荷を持つ粒子は・長野県立諏訪清陵高校(成果)

41 事象 123 本スプライトを観測

その方向に移動しようとして大気中の粒子し、愛知県立一宮高校との同時観測に成功にぶつかり、新しい電子を出すのだが、電した。

離層では連鎖的にこの反応が起こるため大(課題と考察) 観測の結果、日本海側で発量の電子が生成され、電流が生まれる。こ生するスプライトには冬季の能登半島に見れがスプライト放電の主なメカニズムであられるものが多い。また、スプライト観測ると考えられている。

機器の応用として、流星の動画撮影、電波観測、太陽のプロミネンス観測に役立てることができるのではないか。

い。

・静岡県立磐田南高校

・岡山県立一宮高校(成果) 観測中、偶然エルブスを発見した。
エルブスの３点同時観測に成功した。

(研究内容) 室内でのスプライト観測がうまくいかないので、カメラの設置場に工夫(研究内容) 積分球を利用して、CCD カメをした。暗幕を利用して、夜間の室内でのラの特性を理解し補正することにより、ス反射光がカメラに入らないようにした。ピ

プライトの正確な明るさを知ることができントを合わせるためにはまず、比較的明るた。鳥取県沖で観測したエルブスについて

い流星が写るようにして、そこから微調整算出した結果、その形状は北に長い楕円形をしていくようにする。

であり、日本海上約 90 キロメートルであった。

(課題と考察) スプライトの観測できる時期は少ないので、失敗の原因を追及するこ(課題と考察) エルブスの３点同時観測はとや今回のコンソーシアムをとても大切に史上初であり、その高度は予想されているしている。早くスプライトの存在を確認で平均高度とほぼ一致した。次は、観測点のきるようになりたい。

高度も計算に入れて、より正確な高度を算出したい。落雷のタイミングがエルブスの以上は、今回までの参加校の発表の一部発生と同じであることから、低気圧や前線である。各校、得られた結果は様々なものなどにより発生する雷雲と関係があるのでであるが、彼らはそれぞれしっかりとしたはないかと考えている。今後は、気象状況考察を持っている。充分な成果が得られなとの関係についても調べていきたい。

かった高校でも、その失敗を次に活かせるような工夫をしているようだった。発生が・鹿児島県立錦江湾高校(成果) 35 事象 111 本スプライトを観測した。
(研究内容) 九州での観測例がなく、カメ多発する地域、季節が特定できている高校もあり、本校のこれからの観測においてもとても役立ちそうな技術や工夫もたくさん見られた。

ラを北方向にむけていても、発見することができなかったので南九州の上空を観測しⅡ．今後の課題たところ、屋久島付近でスプライトを観測

発表での課題、後の議論で生まれた課題をできた。

まとめると、以下のようになる。本校で観(課題と考察) 観測されたスプライトは屋測するときにも注意したい。

久島上空であることから、雷雲の発生と屋久島の地形に関係があるのではないか。カ

・カメラの保護メラを南に向けていると、直射日光が入りカメラを南に向けると直射日光が入りややすくなるために高感度カメラが壊れてしすくなってしまう。ほかにも屋外で観測すまうのかもしれないので、工夫していきた

るとき、雨や風からカメラを保護する方法

について考えたい。

今回からは観測点を太平洋側にも設けて、・カメラの微調整全部で６点（O、Z、U、S、K、Y）行うこ

スプライトをしっかり捉えるには微調整とになった。本校の同時観測点は（Z）であが必要不可欠である。それについては、会る。観測地点の分布図を図３にのせる。

議の後半で説明があった。
・スプライトと気象状況との関係〈電波観測について〉

落雷のタイミングが発光現象と同じであ同時観測の規模が以前のコンソーシアムることから、低気圧や前線などにより発生よりも大きくなって、カメラによる撮影だする雷雲と関係があるのではないか。

けでなく雷や高々度発光現象から発生する・同時観測で得られる立体像について電波も観測しようという意見が出てきた。

今まではエルブスはきれいな同心円状の輪であると考えられてきたが、観測によっ〈カメラの微調整について〉て得られた立体像は楕円であった。これか①角度

らの同時観測の意義として立体像の解明がスプライトはとても高い高度での現象なあげられた。

ので、ある程度離れていても撮影ができる。

・スプライト観測機器の応用

しかし、離れるほど仰角が小さくなってい高感度カメラをこのためだけに使用する

くので山や建物に隠れやすい。奈良は盆地のはもったいないので、他のことにも使っではあるが観測点が近いので、撮影ができて役立てたい。

るであろうと考えられる。撮影ができないところは、電波観測に移行する。

Ⅲ．コンソーシアムを終えて②しぼり

今回のコンソーシアムは、新規参加校がスプライトはとても明るい発光現象なのスプライトの同時観測を行うための説明会で、ある程度しぼりをしぼっても撮影がででもあり、配布された資料だけではわからきる。発光現象と同時に起きる雷の光が強ないことや参加者の活きた経験を参加するいので、観測点に近い観測者は注意しなけことによって聞くことができた。それを受ればならない。しかし、あえてその雷を撮けて、以下の点についてまとめる。ってみるのも新しい発見につながることかもしれないので、いろいろ試してみたい。

〈観測点について〉③ピント

北陸地方では、地形により、冬季の雷雲ピントが観測点に合っていないと、スプの発生やスプライトの発生することが多いライトははっきり写らない。そこで参加校とされている一発雷の数が比較的多いので、からのアドバイスがあった。始めは流星が前回までの観測点は日本海上に３点（西かとれるくらいにしておいて、そこから徐々ら O、Z、U）であった。しかし、鹿児島県に写っているスプライトにピントを合わせ立錦江湾高校によるの屋久島付近の上空でるようにしていくといいそうである。のスプライトの報告や参加校の増加により、他にも動体検出ソフト UFO キャプチャ

ーの感度のせいで、虫や鳥が写ってしまう測が始めていく。本校は、同時観測点（Z）ことがあるということなど、さまざまな経に向けてカメラを設置することになってい験談を聞くことができた。なお、図４に今る。初めは角度、ピントを合わせるために、回使用する高感度 CCD カメラの写真をの定期的に画像を確認して UFO キャプチャせる。

ー（動体検出ソフト）やアナライザー（観測したスプライトを分析するソフト）の使い方に慣れる。
コンソーシアムによると、１月頃からスプライトの観測報告が出始めるらしい。できるだけたくさんの事象を確認できるように工夫を重ねる。
その後、観測したスプライトについて考
図３

観測地点の分布察して、研究結果をまとめる。その際に他校の結果と考察も参考にして、自分の成果の評価、反省をする。さらに今後の観測について議論する予定である。
（２）まとめコンソーシアムではたくさんの学校が集まり高々度発光現象・スプライトの謎を

図４

CCD カメラ次々に解き明かしている。本校でも、結果が残せるような観測をしたい。

５．考察
それぞれ工夫をしながら、すでに観測に成功している高校もたくさんあるようだった。このコンソーシアムは海外で発表された世界的な結果や史上初の記録などをたくさん残している。本校は新規参加校
として、12 月ごろから観測活動を行って

７．参考文献[1]「スプライト観測ハンドブック 2005」、
http://www.astro-hs.net/[2] 東北大学スプライト研究グループ
http://pat.geophys.tohoku.ac.jp/thermo/sprites/whatissprite.htm

いく予定である。今回の説明会でそれについての知識をしっかりと身につけたので、今後の観測活動で活かしていきたい。

８．謝辞
今回の研究にあたって、ご指導してくださった藤野先生、他校の研究協力者の６．今後の課題とまとめ（１）今後の予定
コンソーシアムで得た情報を生かし、観方々に深く感謝いたします。