博士 （ 環境 科学 ）大宮哲

学 位論 文 題 名Experimentalstudie
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blowlngSnOW（ 吹 雪 の 帯 電 現 象 に 関 す る 実 験 的研 究 ）学位論文内容の要旨
吹雪粒子は、跳躍運動に伴う 雪面との衝突を主要因とし、帯電することが知られている。
この帯電に付随して生ずる静電 気カが、粒子自身の運動軌道に影響を及ぼす可能性があり、吹きだまりや雪庇の形成ならび に視程障害の発生を助長している可能I生について議論されてい る。従って、吹雪粒子の帯電がこれらの現 象にもたらす影響を正確に理解し、将来的に発生予測にっなげるためには 、吹雪粒子の帯電特l
生につ いて把握する事が重要である。
この 帯電には、粒径や吹走距離、風速、湿度な ど、数多くのファクターが関与し合っていると 考えられる。しかしながら、系統的に電荷 測定が行われた例はほとんどなく、どのような 条件下で大きな電荷を持つのかなど、その 詳細についてはほとんど分かっていない。
そこ で本研究では、吹雪粒子の帯電特性を明ら かにする事を目的とし、風洞内および野外にお いて吹雪粒子の電荷測定を行った。風洞実 験は、防災科学技術研究所・雪氷防災研究
セン タ ーの 回流 型低 温風 洞を 用い た。 野外 観測 は、 2011年1月から2月にかけて北海道当別町にて行った。
先 行研究によって、吹雪粒子は平均すると負 に帯電しており、その絶対値は低温ほど増大す る傾向がある事が示されている。しかしな がら、その多くは単位質量あたりの粒子が持つ電荷に関する議論であり、 1個あたりの粒子が持つ電荷 に関する議論はほとんどない。
また 、野外観測値の方が風洞実験値よりも大き な負電荷を持っとの報告がある。この要因とし て、両者の吹走距離の違いに伴う跳躍回数 の違いが挙げられているが、それが実験的に確 認された例はない。そこで本風洞実験では 、主に、粒径ならびに跳躍回数と電荷の関係に 着 眼し た。 粒径 別に 実験 を行う事で、粒子1個あたりが持つ電荷に関する議論が可能とな る 。ま た、 先行 研究 にて 示された粒径と跳躍距離の関係から、i個あたりの粒子が雪面と の 1度 の衝 突で 帯び る電 荷量について見積 もった。跳躍回数に着眼した実験では、跳躍回 数と電荷蓄積量の相関の有無について調べ た。ここで、跳躍回数の増減は風速変化によっ てコント口ールした。なお、一連の風洞実 験は、雪面の削剥が生じない硬い雪面および 球 状 の 雪 粒 子 を 使 用 し、 ‑20〜 −5℃ の気 温範 囲で 行っ た。 また 、野 外観 測の 結果 につい て、風洞実験の結果ならびに観測時の湿度 の点から考察した。電荷の測定には、ファラデ ーケージおよびェレクト口メ一夕ーを用い た。また、吹雪時の大気電場強度の変動特性 を 知 る た め 、 表 面 電 位 計 を 用 い 、 風 洞 内 に お い て 大 気 電 場 測定 を 行 っ た 。

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風洞実験で得 られた結果を以下に示す。
（1）単位質量あたりの吹雪粒子がもつ負 電荷は、小さい粒子ほど大きいことが示された。
ま た、 粒子 1個あ たり の電 荷に 関し ては、大き い粒子ほど大きな負電荷を持つ事が示された。この結果 は、雪面に近いほど単位空間体積あたりの電荷量が大きい事を示唆している。
（ 2）雪 面と 吹雪 粒子 の1度 の衝 突で 帯び る電 荷量 は、 大き な粒 子ほど大きい事が示された 。こ れは 、大 きな 粒子 ほ ど雪 面と の摩擦面積が大きいためと推測される 。雪面との1度の 衝突 で帯 びる負電荷量は、気温―5℃において粒径200ルmについては約‑1.
8X 10‑4 pC、450ルmについ ては約―9.l
X10‑4 pCであっ た。
（ 3）跳 躍回 数と 電荷 の関 係に 着眼 した実験か ら、跳躍回数と電荷蓄積量の間には相関があ るこ とが 示された。この結果から、先行研究 において報告されている野外観測値と風洞実 験値 の量 的隔たりの＾因が、吹雪粒子の跳躍 回数の違い、すなわち吹走距離の違いである事が示され た。
（ 4）吹 雪時 の大 気電 場測 定実 験か ら、吹雪粒 子が大きな電荷を持つ時ほど人気電場も増加 する 事が 確認された。吹雪粒子が受ける静電 気カは、粒子自身の帯電量と大気電場の積で 与え られ る。従って、粒子にかかる静電気カ は、粒子自身の帯電量の増加によって相乗的に増加する 事が示された。
野外観測で 得られた結果を以下に示す。
（ 1）多 くの 測定 結果 において、低温ほど負電荷の増加が確認さ れ、気温依存性に関して先行研究と の一致を得た。しかし、最も気温が高かった時に最大の 負電荷が得られた。この要因とし て、雪面状態（硬さ）の違いならびに降雪の有無に起凶 する吹雪粒子の跳躍回数の違いか ら考察した。また、観測時の湿度の違いが粒子の帯電量 に影響を与えている可能性を提案 した。
本研究によって、主に 粒径および湖齲！回数の観点から、吹雪粒子の帯電特性に関する新たな知見カ滞られた。こ れらの成果は、帯電した吹雪粒子自身にかかる静電気カ を見積もるL
で 重要 な手 がか りとなり、雪庇 形成や視程障害の予測研究の基礎となるものである。

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学位論文審査の要旨
主査 教
副査 教

授 佐 藤篤 司
授 藤 吉康 志教授
力 ‑ レ 日 工 業大 学 工 学 部
教 授渡辺専人Hしm授
准中 井修 平教
高橋学 位 論 文 題 名Exp
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naof
blowingsnow（ 吹 雪 の 帯 電 現 象 に 関 す る 実 験 的 研 究 ）吹雪粒子は、跳躍運動に伴う雪面との衝突を主要因とし、帯電することが知られている。
この帯電に付随して生ずる静電気カが、粒子自身の運動軌道に影響を及ぽす可能性があり、吹き溜まりや雪庇の形成ならびに視程障害の発生を助長している可能性について議論されている。この帯電には、吹雪粒子の粒径や吹走距離、風速、湿度など、数多くの因子が関与していると考えられる。しかしながら、今まで系統的に電荷測定が行われた例は少なく、どのような条件下で大きな電荷を持つのかなど、その詳細については分かっていない。そこで本研究では、吹雪粒子の帯電特J陸を明らかにする事を目的とし、風洞内および野外において吹雪粒子の電荷測定を行った。風洞実験は、防災科学技術研究所・雪氷防災研究センターの回流型低温風洞を用いた。野外観測は、2011
年1月から2月にかけて北海道当別町にて行った。
風洞実験では、主に、粒径ならびに跳躍回数と電荷の関係に着眼した。粒径別に実験を行う事で、粒子1個あたりが持つ電荷に関する議論が可能となる。また、先行研究にて示された粒径と跳躍距離の関係から、1個あたりの粒子が雪面との1度の衝突で帯びる電荷量について見積もった。跳躍回数に着眼した実験では、跳躍回数と電荷蓄積量の相関について調べた。
ここで、跳躍回数の増減は風速変化によってコント口ールした。なお、一連の風洞実験は、雪面の削剥が生じない硬い雪面およ乙岡む吠の雪粒子を使用し、‑20〜―5℃の気温範囲で行った。また、野外観測の結果について、風洞実験の結果ならびに観測時の湿度の点から考察した。電荷の測定には、ファラデーケージおよびェレクト口メーターを用いた。また、吹雪時の大気電場強度の変動特陸を知るため、表面電位計を用い、風洞内において大気電場測定を行った。
風洞実験で得られた結果を以下に示す。
（1）単位質量あたりの吹雪粒子がもつ負電荷は、小さい粒子ほど大きいことが示された。
また、粒子1個あたりの電荷に関しては、大きい粒子ほど大きな負電荷を持つ事が示された。
（2）雪面と吹雪粒子の1度の衝突で帯びる電荷量は、大きな粒子ほど大きしゝ事が示された。
これは、大きな粒子ほど雪面との摩擦面積が大きいためと推測される。雪面との1度の衝突で帯びる負電荷量は、気温―5℃において粒径200um
については約ー1．8xl
ザpC、450umについ― 873一

て は 約 ‑9. ixio‑4 pCで あ っ た 。
（ 3） 跳 躍 回 数 と 電 荷 蓄 積 量 の 間 に は 明 確 な 相 関 が あ る こ と が 示 さ れ た 。 こ の 結 果 か ら 、 野
外 観測 値 と 風 洞実 験 値 の 量的 隔 た り の一 因 が、吹 雪粒子 の跳躍 回数の 違い、 すなわ ち吹走 距離 の違 い で あ る事 が 示 さ れた 。
（ 4） 吹 雪 時 の 大 気 電 場 涙 腱 実 験 か ら 、 吹 雪 粒 孑 カ ミ 大 き な 電 荷 を 持 つ 時 ほ ど 大 気 電 揚 も 増 加す る事 が 確 認 され た 。 吹 雪粒 子 が 受 ける 静 電気カ は、粒 子自身 の帯電 量と大 気電場 の積で 与え られ る 。 従 って 、 粒 子 にか か る 静 電気 カ は、粒 子自身 の帯電 量の増 加によ って相 乗的に 増加 する 事 が 示 され た 。
野 外 観 測 で得 ら れ た 結果 を 以 下 に示 す 。
（ 1） 気 温 が 低 い ほ ど 負 電 荷 の 増 加 が 確 認 さ れ 、 気 温 依 存 性 に 関 し て 先 行 研 究 と の 一 致 を 得た 。し か し 、 最も 気 温 が 高か っ た 時 に最 大 の負電 荷が得 られた 。この 要因と して、 雪面状 態（ 硬さ ） の 違 いな ら び に 降雪 の 有 無 に起 因 する吹 雪粒子 の跳躍 回数の 違いか ら考察 した。 また 、 観 測 時 の 湿 度 の 違 い が 粒 子 の 帯 電 量 に 影 響 を 与 えて い る 可能 性 を 提 案し た 。
本 研 究 に よ っ て 、 主 に 粒 径 お よ び 湖 瞬 1回 数 の 観 点 か ら 、 吹 雪 粒 子 の 帯 電 特 性 に 関 す る 新 たな 知見 が 得 ら れた 。 こ れ らの 成 果 は 、帯 電 した吹 雪粒子 自身に かかる 静電気 カを見 積もる 上で 重要 な 手 がか り となり 、雪庇 形成や視 程障害 の予測研 究の基 礎となる ものであ る。
吹 雪 粒 子の 帯 電 現象に 関しては 、観測が 容易で はないこ ともあ り、世界 的に観 測事例 が少 な い 。今 回 の研究 はこの 現象に対 して影 響が強い と考え られる幾 っかの要 因を取 り 上 げ て 系 統 的 に 実 験 を 行 い 、 そ れ ら の 依 存 性 を 定 量 的 に明 ら か に した も の で ある 。
ま ず 吹 雪 粒 子 の 大 き さ を 篩 で 5種 類 の 粒 子 グ ル ー プ を 作 成 し て 実 験 を 行 い 、 帯 電 の粒 径依 存 性 を世 界 で初め て明ら かにした 。また 、気温を 系統的 に変えた ときの帯 電量が 、気 温 の 低下 と ともに 増大す ることを 明確に した。さ らに、 跳躍回数 が帯電量 を支配 する こ と も 、初 め て 定 量的 に 明 ら かに し た 。
野 外 観 測 では 、 多 く の変 動 す る 気象 要 因 のなか 、気温依 存性、 降雪の 有無、 雪面状 態の影
響 など 、 多 くの 事 象の帯 電量へ の寄与を 明確に 説明する ことが 出来るよ うになっ た。
今 回 の 基 礎的 実 験 観 測結 果 を 用 いる こ と により 、吹雪の 構造理 解や、 運動ヌ カニズ ムの高度 化を 促 進 し 、そ れ ら の 延長 と し て 雪庇 の 形成や 、吹雪 による 視程悪 化の予 測や防 除に関 す
る 研究 を 進 展 させ る 基 と なる こ と と 期待 さ れ る 。
審 査 委 員 一同 は ， こ れら の 成 果 を高 く 評 価し， また研究 者とし て誠実 かつ熱 心であ り，大学 院博 士 課 程 にお け る 研 鑽や 修 得 単 位な ど もあわ せ，申 請者が 博士（ 環境科 学）の 学位を 受
け るの に 充 分 な資 格 を 有 する も の と 判定 し た 。

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