東海大学海洋研究所報告第 36 号（2015）31 〜38 頁

原著論文（Original Article）

Bull Inst. Oceanic Res. & Develop. Tokai Univ.（2015）, 36, 31 ‑ 38

スプライト発生位置と落雷位置の関係鈴木 裕子 1 ），鈴木 智幸 1 ），織原 義明 1 ）, 2 ），成嶌 友祐 1 ），鴨川 仁 1 ）＊Yuko Suzuki 1 ）, Tomoyuki Suzuki 1 ）, Yoshiaki Orihara 1 ）, 2 ）,Yusuke Narushima 1 ）and Masashi Kamogawa 1 ）Abstract
In 1990, sprits were newly discovered in the mesosphere between clouds and ionosphere. Therefore,various investigations of sprites have been reported since last two decades. Sprites are induced by astrong electric ﬁeld attributed to the neutralization of a large amount of positive charges at the upper
part of thunderstorm when cloud-to-ground (CG) lightning occurs. Many papers have implied that thecomplex physics of sprite-induced CG lightning, namely parent CG lightning, causes various morphologies
and lifetime of sprites and the time delay of sprite occurrence, which have been some of unsolved issues
in the transient luminous events studies. However, they have not been completely explained yet. Thus,
we investigate the discrepancies among them through an optical measurement and the observed parent
CG lightning.

緒言

での時間遅延等は，雷放電の複雑さに起因する可能性が指摘されている（ Pasko et al., 2012 ）．また，電スプライトは高高度発光放電現象の一つであり，磁波観測で標定された親雷放電（落雷）位置とスプ最も観測 頻度 が高く多数の報 告がなさ れて いる

ライト発生中心位置にはしばしば水平方向に 50 km（ e.g., Bösinger et al., 2012 ）．スプライトは，雷雲上を超える差異があることが報告されている（ e.g.,部の大きな正電荷が対地雷によって中和される際にBell et al., 1998 ）．しかし，この差異が生じる原因に付随的に生じる強い電界によって，雷雲上空の中間ついてはよくわかっていない．このことから，本研圏から電離圏下部が発光する現象である．スプライ究では，光学観測によるスプライトと親雷放電の水トの形状，持続時間，原因となる対地雷から発生ま平位置の差異の原因を解明することを目的とする．

1 ）東京学芸大学物理学科 〒 184‑8501 東京都小金井市貫井北町 4‑1‑1
Department of Physics, Tokyo Gakugei University, 4‑1‑1 Nukuikitamachi, Koganei, Tokyo 184‑8501, Japan2 ）東海大学海洋研究所地震予知研究センター 〒 424‑8610 静岡県静岡市清水区折戸 3‑20‑1
Earthquake Prediction Research Center, Institute of Oceanic Research and Development, Tokai University, 3‑20‑1 Orido,
Shimizu-ku, Shizuoka, 424‑8610 Japan＊ Corresponding to Masashi Kamogawa (kamogawa@u-gakugei.ac.jp)（ 2015 年 2 月 11 日受付／ 2015 年 2 月 23 日受理）32

鈴木 裕子，鈴木 智幸，織原 義明，成嶌 友祐，鴨川 仁Fig. 1 Schematic conﬁguration of sprites optical observation.に設定して観測を行った．撮影された映像には，光学観測方法と雷データ

GPS 衛星から得られた正確な時刻のスーパーイン

冬季に北陸地方の上空で発生するスプライトと対ポーズが可能となっている．GPS 時刻精度は± 1μs

地雷に伴い生じる放電発光を観測するため，北陸地であり，スーパーインポーザーが与える時刻精度

方から遠方の静岡県清水で高感度カメラによる夜間は，1 ms である．スーパーインポーズされた動画は

光 学 観 測 を 行 っ た．カ メ ラ は， 北 陸 地 方 か ら

分配器でハードウェアエンコードのパソコン用ビデ

200 km 以上離れた静岡県静岡市清水区の東海大学オキャプチャおよび HDD 動画レコーダーに分配

海洋学部 1 号館屋上（ SMZ: 138.5140 E，34.9900 N ）し，前者の動画は PC に取り込まれたのちイベントに設置した（ Fig. 1 ）．観測可能なエリアは石川及びトリガー方式で記録される．動画サンプリングは 60

福井地域上空であり，これらの地域は冬季雷が頻繁フィールド（ 1/60 秒＝ 16.7 ms ）である．後者は連に発生するのみならず，スプライトも発生すること続記録を行うためのものであり，動画サンプリングが分かっている（ e.g., Suzuki, et al., 2011 ）．今回光は 30 フィールドである．本研究の光学観測概略図

学観測を行った期間は 2012 年 12 月から 2013 年 2は Fig. 2 に示す．また，設置したカメラと収録機器月である．光学観測に使用したカメラはワテック社の様子を Fig. 3a と Fig. 3b にそれぞれ示す．なお，のモノクロ CCD カメラ（ WAT‑910HX ）で，感度スプライト発生位置の方位角標定は，画像に撮り込は 0.000005 lx であり，シャッタースピードを 10 ms

んだスプライトと恒星との相対位置から行った．

CCDcamera

GPS time imposer
on video image

HDD videorecorder

Antenna coupler
Fig. 2 Block diagram of the monochrome CCD camera system.

A/D video
capture cardPC高高度放電発光現象

（a）

33（b）

Fig. 3 （ a ）Photograph of the installed camera．（ b ）Photograph of the installed apparatus to collectdata.
落雷位置を標定する方法には，落雷により発生す台のセンサー間の到来時間差から得られる位置双曲る磁界変化を直交ループアンテナで計測し到来方位線を複数組み合わせその交点を求めることで対地雷角を求める観測を 2 地点以上で同時に実施し，それの位置を決定する．TOA により正確な場所を標定

らの交点から落雷位置を推定する方法（ MDF: mag-するためには，正確な到来時間が必要なため，通常

netic direction ﬁnder ）や，落雷に伴い発生する電GPS が提供する正確な時刻信号が使用される．干渉界変化を十分に広い間隔をあけて設置された多数の法は，雷放電から発せられる VHF 帯の電波も計測アンテナで受信し，各アンテナで観測された，落雷し，対地雷だけでなく雲放電位置も標定することがに伴い生じた電界変化の受信時刻の時間差から，計で き る よ う に し た シ ス テ ム が 開 発 さ れ て い る．

算によっ て落 雷位置と発生時 刻を算出 する 方法

VHF 帯の干渉計は，3 次元での放電源の推定が可能（ TOA: time-of-arrival ），さらに，1 波長程度離したなものが多い．

複数のアンテナで観測された電磁波の位相差から到

本研究では，3 つの雷位置標定システムのデータ

来法方位を 2 点以上で同時観測し，放電波源を標定を 使 用 し た : Japan Lightning Detection Networkする干渉法のような技術がある．この他，落雷位置（ JLDN ）, Lightning Location Systems （ LLS ）;標定には，MDF と TOA の組み合わせにより標定

www.rikuden.co.jp/hopes/llssen.html ， World精度を向上させたインパクトなどが存在する（ IM-Wide Lightning Location Network（ WWLLN ）．

PACT: improved accuracy using combined tech-JLDN および LLS は，同じ IMPACT を使用したシnology ）．（ e.g., Krider et al. , 1976; Holle and Lo-ステムで，それぞれ 21 および 8 局の観測サイトかpez，1993; Cummints and Murphy，2000; Rakov

ら構成された落雷位置標定システムであり，落雷位and Uman，2003; Takayanagi et al. , 2011 ）．MDF

置， 極 性 お よ び 推 定 電 流 値 を 推 定 可 能 で あ る．

は対地雷（リターンストローク）から発せれる電磁JLDN と LLS の対地雷標定位置誤差は，それぞれ波の磁界を交差ループ・アンテナで受信し，対地雷500 m（平均値）と 640 m（中央値）以内であり，対地の方位角や推定電流値はリターンストロークに関連

雷検知率は , それぞれ 90 % 以上，88.7 %（冬季雷とする信号の最初のピーク値で決定される．このシス

夏季雷の平均）である（フランクリン日本ホームペー

テムは，三角測量方法を用いて対地雷の位置を特定

ジ ; http://www.franklinjapan.jp/contents/observa-

するため，2 点以上の MDF センサーを要する．まtion/jldn/ および Shinjyo et al., 2007 ）．WWLLN はた，TOA は 2 次元標定の場合 3 点以上の観察点でVLF 帯における球面波の到達時間を分析すること

雷放電由来の電界変化をとらえ，到着時間の違いかに よ っ て 対 地 雷 位 置 を 標 定 す る（ Rodger et al.,ら対地雷の位置を特定する方法である．TOA は 22005 ），70 以上の VLF レシーバーからなる世界的34

鈴木 裕子，鈴木 智幸，織原 義明，成嶌 友祐，鴨川 仁なネットワークである（ Hutchins et al., 2013 ）．平均 位 置 標 定 誤 差 は 10 km 以 内 で あ り， 検 出 率 は11 %である（ Rodger et al., 2009 ）．WWLLN の出力
データは，対地雷発生日，時間，場所，落雷エネルギーとなっている．
な お， 対 地 雷 標 定 位 置 デ ー タ に 加 え， 気 象 庁（ JMA ）により提供されている全国合成レーダー
デ ー タ を 使 用 し た．こ の デ ー タ は 日 本 に お け る

2 km の 高 度 で の 降 水 量（ mm/h ）で，1 × 1 km の空間分解能と 10 分の時間分解能を有している．

観測結果と解析方法
本冬季雷観測では，合計 15 例のスプライト観測に成功した．スプライトの発生方向に関しては，画像に映り込んだ恒星の位置を利用して算出した．また，雷位置標定システムによる落雷分布を用いて，スプライトの出現方向と落雷の位置との関係について解析および考察を行った．

Fig. 4 に示されるスプライト画像から分かるようスプライトの本数や形状，それらの広がりは様々である．また，映り混んだ落雷に伴う最大発光位置は，ほぼスプライトの直下と判定できる．しかし，各雷データの落雷標定位置はスプライト発生範囲から数十 km 程離れているものが多い（ Fig. 5 ）．

高高度放電発光現象

（a）

（d）

（b）

（e）

（c）

（f）

35

Fig. 4 Examples of sprites event．The（ a ）and（ b ）show the events captured in the same night at
13 : 51（ UT ）and 14 : 13（ UT ）on January 1，2013，respectively．The（ c ），（ d ），（ e ）and（ f ）show the events captured in the same night at 10 : 28（ UT ），10 : 43（ UT ），12 : 01（ UT ）and
16 : 29（ UT ）on January 24，2013，respectively．

36

鈴木 裕子，鈴木 智幸，織原 義明，成嶌 友祐，鴨川 仁

（a）

（d）

（b）

（e）

（c）

（f）

Fig. 5 The radar-echo maps and the cloud-to-ground lightning provided by JLDN（○），WWLLN（△）
and LLS（ ）associated with sprites as shown in Fig. 4. Red lines show the region sprites occurred.

37

高高度放電発光現象

考察とまとめ引用文献

Fig. 4c 〜 e から分かるように画像には，スプラAsano T., Masashi, H., Mengu C. and Tomoyuki, S.（ 2008 ）: Com-

イトのみならず雷発光も映り込んでいる．これは雷雲上部から漏れだした雷発光（散乱光）であり，最puter simulations on the initiation and morphological diﬀerence. J. Geophys. Res. Space Physics, 113, A02308, doi:
10.1029/2007JA012528.

も発光が強い部分が雷雲内の電荷中和の中心位置でAsano, T. , T. Suzuki, M. Hayakawa, and M. G. Cho（ 2009 ）,あるものと推定される．この雷発光中心位置はスプThree-dimensional EM computer simulation on sprite initia-

ライトとほぼ鉛直の関係あることがわかる．一方，Fig. 5 に示されるように雷データが示す落雷位置はスプライト発生範囲から数十 km ずれているものが多い．これは，雷データが示す放電位置は地上の落雷位置を標定していることによると考えられる．このことから，画像内に映りこんだ雷発光は雷雲内で最も多量の電荷が中和された部分の中心位置をとらえているものと解釈することができる．日本における冬季雷では，落雷がほぼ直下で起こることが多い
夏季雷と異なり，水平に長距離放電したのち落雷へ

tion above a horizontal lightning discharge, J. Atmos. Sol.
Terr. Phys., 71（ 8‑9 ）, 983‑990, doi: 10.1016/j.jastp.2009.04.003.
Bell, T. F., Reising, S. J. and Inan, U. S.（ 1998 ）: Intense continuing
currents following positive cloud-to-ground lightning associated withred sprites. Geophys. Res. Lett., 25, 1285‑1288.
Bösinger, T. , LaBelle, J. , Opgenoorth, H. J. , Pommereau, J.‑P. ,Shiokawa, K. , Solomon, S. C. and Treumann, R. A.（ 2012 ）:Dynamic Coupling between Earth's Atmospheric and Plasma Environments. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New
York, vol. SSSI 42, pp 609.
Cummins, K. L. and Murphy, M. J.（ 2000 ）: Overview of Lightning
Detection in the VLF, LF, and VHF Frequency Ranges. 2000
ILDC, Tucson, Arizona.と至る事例があることが報告されている（ Suzuki etFranklin Japan home page, http://www.franklinjapan.jp/con-

れているように，水平放電路により電磁波の伝搬方

Holle, R. L. and Lopez, R. E.（ 1993 ）: Overview of real-time light-al., 2006 ）．そのため，Asano et al.,（ 2009 ）で指摘さ向が変わることなどが原因で，スプライトの形状に影響を与えるのではないかと推測することができる．このことから，今後は VHF 帯のような放電路（リーダー）を標定可能な装置を用いることにより明らかにすることが必要であり，これが今後の課題である．

tents/observation/jldn/ning detection system and their meteorological uses. NOAA
Technical Memorandom ERL NSSL‑102, 68 pp.
Hutchins, M. L., Jacobson, A. R., Holzworth, R. H. and Brundell, J.
B.（ 2013 ）: Azimuthal dependence of VLF propagation. J.
Geophys. Res. Space Physics, 118, doi: 10.1002/jgra.50533.
JMA website, http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/toppuu/
thunder1‑2.html
Krider, E. P. , Noggle, R. C. and Uman, M. A.（ 1976 ）: A gatedwideband magnetic direction finder for lightning retuern

謝辞

本稿の執筆にあたっては，長尾年恭東海大学教授に貴重な助言を頂いた．静岡市清水区の設置・メンテナンスに関しては , 東海大学海洋研究所地震予知研究センターの方々にご協力をいただいた．あらためて感謝申し上げます．また，Japan Lightning De-tection Network（フランクリン・ジャパン），Lightning Location System（北陸電力 ; ホームページより入手），World Wide Lightning Location Network
により提供された雷データを使用した．なお，本研
究 は 科 学 研 究 費 助 成 事 業（ 課 題 番 号：24360399，2012‑2014 ）を受けて実施された．厚く御礼を申し上げる．

strokes. J. Appl. Meteor., 15, 301‑306.
Pasko, V., Yair, Y. and Kuo, C.‑L.（ 2012 ）: Lightning related transient luminous events at high altitude in the earthʼs atmosphere: phenomenology mechanisms and eﬀects. Space, Sci.
Rev. 168, 475‑516 doi 10.1007/s11214‑011‑9813‑9.
Rakov, V. A. and Uman, M. A.（ 2003 ）: Lightning: Physics and Effects. Cambridge University Press.
Rodger, C. J., Brundell, J. B. and Dowden, R. L.（ 2005 ）: Location
accuracy of VLF World Wide Lightning Location（ WWLL ）network: Post-algorithm upgrade. Ann. Geophys., 23, 277‑290.
Rodger, C. J., Brundell, J. B., Holzworth, R. H., Lay, E. H., Crosby,N. B. and Huang, T.‑Y. Rycroft, M. J.（ 2009 ）: Growing detection efﬁciency of the World Wide Lightning Location Network. AIP Conf. Proc., 1118, 15‑20, doi: 10.1063/1.3137706.
Suzuki, T., Matsudo, Y., Asano, T., Hayakawa, M., and Michimoto,K.（ 2011 ）: Meteorological and electrical aspects of several
winter thunderstorms with sprites in the Hokuriku area of Japan, J. Geophys. Res., 116, D06205, doi: 10.1029/2009JD013358.
Shinjyo, K. , Kawamura, H. and Sakamoto, N.（ 2007 ）: Diﬀerence
for lightning characteristics detected by two diﬀerent lightning location system. Kenkyu kaihatsu nenpo, 41, 1‑5（ in38

鈴木 裕子，鈴木 智幸，織原 義明，成嶌 友祐，鴨川 仁Japanese ）.

Suzuki, T., M. Hayakawa, Y. Matsudo, and K. Michimoto（ 2006 ）,How do winter thundercloud systems generate sprite-inducing lightning in the Hokuriku area of Japan? Geophys. Res.
Lett., 33, L10806, doi: 10.1029/2005GL025433.
Takayanagi, Y., Akita, M., Nakamura, Y., Yoshida, S., Morimoto,T., Ushio, T., Kawasaki, Z.‑I., Yamamoto, K.（ 2011 ）: Development of VLF/LF bands interferometer and its initial observations（ in Japanese ）. IEEJ. Trans. FM., 131, 9, pp. 716‑722.