【様式１】

夏期観測 2022 研究速報(プロジェクト報告書)----------------------------1.氏 名（和文） David Smith（英文） Takeshi Kudo
2.所 属（和文）David Smith（英文）University of California, Santa Cruz
3.共同研究者氏名・所属（和文）鴨川仁・静岡県立大学（英文）Masashi Kamogawa, University of Shizuoka
4.研究テーマ（和文）雷放電・雷雲活動において発生する高エネルギー放射線(成果)
カリフォルニア大学サンタクルーズ校（UCSC）と静岡県立大学の鴨川仁特任准教授との共同研究で、2022 年夏、旧富士山測候所に 2 台のガンマ線検出器を設置し、ドラマチックだがあまり理解されていない現象、地球ガンマ線フラッシュ（TGFs︓一部の雷放電で生じる短時間のガンマ線のフラッシュ）を研究することになった。 TGF は非常に"明るい"ため、放射線が発生する現象の中心部にいる人は、放射線による重大な健康被害を受ける可能性がある（Dwyer etal.）。しかし、幸いなことに、TGF は比較的まれな現象である。
衛星の場合、一度に 100 万 km2 もの地表を観測できるため、私たちが知っている TGF のほとんどは、衛星から観測されたものです（Fishman et al.1994）。 しかし、これらの TGF はほとんどすべて上向きの雲内雷によるもので、TGF がいつ、どれくらいの頻度で大気深部で発生し、地上に向けられるか（下向き TGF）については何もわかっていない。
富士山のように雷雲の多い山頂では、雷雲の中心に近く、ガンマ線が距離や空気中の吸収で減衰しないため、下向きTGF を探すには理想的な場所である。 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が（例えば、Umemoto et al. 2016、Wada et al. 2021、Enoto et al. 2017、Bowers et al. 2017）、これらのイベン
トは北陸沿岸の強力な冬の雷雲の中で検出されたものである。 共同プロジェクトの 4 シーズン目となる今回のプロジェクト
は、富士山の夏の雷雲における下向き TGF の初めての調査となる。 2 つの検出器システムは、GODOT (forGamma-ray Observations During Overhead Thunderstorms) と THOR (Terrestrial High-energyObservations of Radiation) と名付けられている。 GODOT の方が古いシステムで（2015 年に初めて日本に導入された）、今年はいくつかの改良が施された THOR の初年度となる。
今年は初めて、キャンペーン中に３つの TGF を観測した。 これらは、非常に強力なリターンストロークを持つ負極の対地雷に関連していた。岐阜大学の Ting Wu 准教授と Daohong Wang 教授の協力により、遠くから雷の種類と強度を特定することができる FALMA という雷放電位置評定および波形観測機器によって現象が明らかになった。 これらの雷放電は、彼らが「コンパクトリターンストローク」と呼ぶタイプのもので、地表（山の頂上とみられる）からわずか 1km ほどの高さで発生した。 この雷放電は、北陸沿岸の冬の雷雲で TGF を発生させるものと似ていますが、夏の富士山の環境でもTGF を発生させるというのは新しい発見である。
今回の観測でさらに嬉しいのは、TGF が関連する現象と一緒に見られることが初めて確認されたことである。 対地雷は、「ステップリーダー」と呼ばれる現象によって雲から地上へと電荷を運び、導電性の経路を残しながら短時間で急激に進行しする。 ステップリーダーが地上に到達すると、「リターン・ストローク」と呼ばれる大電流がこの経路を通って雲に到達し、雲の電荷を大地に運ぶ。 以前にも他の場所で観測されたように、この「ステップ」はしばしば X 線のバーストを放出しますが、それは TGF よりもはるかに弱く、短く、低いエネルギーです。
一部の科学者は、これらのステップ現象と TGF の間に関連性があると考えていますが、まだ確実ではない。 我々は、この富士山で初めて、この 2 つの現象が同時に現れる現象を観測した。すなわち、リーダーステップに伴う一連の X 線バーストと、その最後、リターンストロークの時間に近いところで発生する TGF である。

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 複合現象からの VLF 電波信号と X 線の時間/エネルギー散布図。 FALMA のデータは、岐阜大学の TIng Wu 博士と Daohong Wang 博士のご好意により提供されたものです。
図 1 は、この現象を示したものである。 上段は 100km 以上離れた FALMA センサが検出した雷放電起源の電波信号で、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るものである。
下図は、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 FALMA 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るが、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。 下の 3 つのパネルは、THOR の中の大型、中型、小型のガンマ線検出器（LPL、MPL、SPL）のデータをそれぞれ示している。 TGF の間、2 つの大きな検出器は多かれ少なかれ圧倒され、小さな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、大きな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)のリターンストロークのよく後のカウントの散布は、中性子によって生成される。 TGF のガンマ線は、空気分子の原子核と衝突してこれらの電子を放出することができ、検出する前に、電子は空気中をガタガタと動き回り、速度を落としてしばらく過ごす。

（英文）Energetic radiation associated with lightning and thunderstorm
Our collaboration between the University of California, Santa Cruz (UCSC) and Prof. Masashi
Kamogawa at University of Shizuoka has deployed two gamma-ray detector systems at the Mt. Fuji
research station in the summer of 2022 to study the dramatic but poorly understood phenomenonof Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs), brief flashes of gamma rays produced in some lightning
flashes.
TGFs can be so bright that there would be a significant health risk from the radiation forsomeone located right at the central part of the event where the radiation is generated (Dwyer etal. 2010). Fortunately, TGFs are relatively rare.
Most TGFs that we know about have been observed from spacecraft, because they can observe up
to 1 million km2 of Earthʼs surface at a time (Fishman et al. 1994). But these TGFs are nearly all
from upward intracloud lightning, and tell us nothing about when and how often TGFs areproduced deep in the atmosphere and pointing downward at the ground.
A mountaintop site like Mt. Fuji that hosts many thunderstorms is an ideal place to look for
downward TGFs, since the high altitude puts you close to the center of the storm and the gamma
rays arenʼt attenuated by distance and absorption in air. While Japan has been the biggest world
center for TGF detection from the ground in recent years (see, for example, Umemoto et al. 2016,
Wada et al. 20??, Enoto et al. 2017, Bowers et al. 2017), these events were detected during
powerful winter thunderstorms in the northern coast of the Chubu region. This project (in its 4thseason) is the first search for downward TGFs in summer thunderstorms at Mt. Fuji. The two
detector systems are named GODOT (for Gamma-ray Observations During OverheadThunderstorms) and THOR (Terrestrial High-energy Observations of Radiation). GODOT is theolder system (having first come to Japan in 2015), and this is the first year for THOR, which has
several improvements.
This year, for the first time, we have observed TGFs during the campaign -- three of them. They
were associated with negative cloud-to-ground lightning with extremely powerful return strokes.
We learn this thanks to the cooperation of Profs. Ting Wu and Daohong Wang of Gifu University,
who provided data from the FALMA array of radio detectors, which can characterize the type andintensity of lightning from a distance.
These flashes are of a type they call “compact returnstrokes,” which originate only a kilometer or so above Earthʼs surface (which could be the top ofthe mountain). These flashes are similar to the ones producing TGFs in winter thunderstorms on
the coast, but it is a new discovery that they also produce TGFs in the summer environment of Mt.
Fuji.
An even more exciting result of these new observations is that TGFs have been seen together witha related phenomenon for the first time.
Lightning proceeds from the cloud to the groundthrough a process called a “stepped leader”, which carries electrical charge from the cloud in short,sudden steps, leaving a conductive path behind it. When the leader finally reaches the ground, ahuge surge of current, the return stroke, passes through this path up to the cloud, eventually
carrying the cloudʼs charge to the Earth. As has been observed previously at other sites, these“steps” often release bursts of x-rays, much weaker, briefer, and lower in energy than a TGF.
Some scientists believe that there is a connection between these stepping events and TGFs, but it
is not yet certain.
We have observed, for the first time, here on Mt. Fuji, two events where thetwo phenomena appear together: a series of x-ray bursts that are associated with leader steps,
with a TGF occurring at the end of the sequence, close to the time of the return stroke.

Figure 1 VLF radio signal and x-ray time/energy scatter plots from a combined stepped leader xray / TGF event observed at the summit of Mt. Fuji on 26 July 2022. The radio data from theFALMA array are provided courtesy of Dr. TIng Wu and Dr. Daohong Wang of Gifu University.
Figure 1 shows this phenomenon. The top panel shows the radio signal detected by the FALMA
sensors over 100km away; the series of small pulses represent the steps of the leader as it
approaches the ground, and the largest signal is caused by the currents of the return stroke.
Thelower panels represent the x-ray/gamma-ray detections from three radiation detectors in the THOR
instrument. The energy of each high-energy photon is shown by a point on the y axis, and the xaxis is time, on the same scale as the radio data in the first panel.
You can see weaker bursts ofphotons associated with the steps, with the brightest (the TGF) happening close to the returnstroke at the end.
The lower three panels show the data from a large, medium-sized, and small
gamma-ray detector within THOR, respectively (LPL, MPL, SPL). During the TGF the two larger
detectors are more or less overwhelmed, and only the small detector gives an unbiased view of thelast two steps; but only the larger detectors are big enough to detect the x-rays during thestepping.
The sprinkling of counts well after the return stroke in the large detector (LPL) areproduced by neutrons. The gamma-rays of the TGF can collide with the atomic nuclei in air
molecules to eject these electrons, which spend some time rattling around in the air, slowing down,
before we detect them.