hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
シリコン光導波路におけるラマン振動および赤外吸収効果

本研究は微小なサイズを有するシリコンの光学的特性を明らかにするため、以下に挙げる4つの項目ついて、シリコン中の光導波に関する研究を行った。シリコン光導波路はシリコンエピタキシャルウェハーを基板として用いて、エピタキシャル層を導波路とした。屈折率に対するキャリア密度の負の効果を利用する方法であり、SOI (Silicon on Insulator)基板と同様に高い導波効果が期待されるものである。(1)シリコン光導波路作製技術の開発(2)1.5μm帯域における光導波路評価のための光学システムの構築(3)誘導ラマン効果に基づくシリコンラマンスペクトルの測定(4)シリコン導波路における光損失の評価シリコン光導波路は、Pドープn型Si(100)基板上におけるエピタキシャル層を導波路として用いた。キャリア密度は基板が10^<18>オーダー、エピタキシャル層が10^<14>オーダーである。基板上にマスクパターンをストライプが<110>方向となるように作製し、PCl_3ガスによる反応性イオンエッチングを行い、シリコン光導波路を作製した。断面サイズとして膜厚10μm、幅として6.2μmおよび9.8μmの導波路を作製した。光導波路評価のため1.5μm帯の光学システムを構築し、従来から研究を行っているGaP-AlGaP導波路を用いて光学システムの有用性に関する確認を行った。15μmレーザダイオードを信号光源としてシリコンの誘導ラマンスペクトルを測定した。520cm^<-1>付近におけるシリコンの光学フォノン(LO+TO)によるバンドに注目し、光増幅において基礎データとなるラマン選択則について、それぞれ結晶方向([100]、[110]、[11^^-2])における励起光源偏光依存性を検討した。また、スラブ型シリコン導波路(導波路長:10mm)を用いてシリコン導波路における光導波特性についての評価を行った。導波路膜厚の減少に伴い、導波路における光損失率が低下する傾向は光導波効果を反映した結果であると考えている。本研究は、シリコンを微小なサイズをもつ導波路に形づくることにより、シリコンの新たな機能を創出することを目的としている。具体的には、(サブ)ミクロンオーダーの断面サイズをもつ光導波路にシリコンをかたちづくり、微小な1次元構造をもつことによるシリコンの赤外領域における特性の変化を明らかにしていく。初年度の今年度は、シリコン光導波路の作製条件を確立し、シリコン光導波路のラマン散乱など、光学測定のための光学システムを構築した。シリコン光導波路の作製には、基板にシリコンエピタキシャルウェハーを用いた。PドープN形シリコン(100)基板上にシリコンエピタキシャル層が10μm堆積したものである。キャリア密度はエピタキシャル層が10^<14>オーダー、基板が10^<18>オーダーである。<110>方向にストライプをもつマスクパターンをリソグラフィーにより作製したのち、PCl_3ガス雰囲気下(0.02Torr)において反応性イオンエッチングによりシリコンエピタキシャル層のみを基板までエッチングした。基板に比べて大きな屈折率をもつ(キャリア密度が小さい)シリコンエピタキシャル層が光導波路となる。導波路の幅としては6.2および9.8μmのものを作製した。ミクロンサイズのシリコン導波路を作製する装置の構築と条件を確立した。さらに、上記のように作製したシリコン導波路のラマンスペクトルおよび導波路を透過する光の損失率を測定するための光学系を構築した。励起光の波長を1μmおよび1.5μmとする2つのシステムを構築した。それぞれのシステムの有効性を確認するため、GaP-AlGaP導波路による誘導ラマン散乱に基づく光増幅測定を行った。520cm^<-1>

付近におけるシリコンの光学フォノン(LO+TO)によるバンドに注目し、光増幅において基礎データとなるラマン選択則について、それぞれ結晶方向([100]、[110]、[11^^-2])における励起光源偏光依存性を検討した。また、スラブ型シリコン導波路(導波路長:10mm)を用いてシリコン導波路における光導波特性についての評価を行った。導波路膜厚の減少に伴い、導波路における光損失率が低下する傾向は光導波効果を反映した結果であると考えている。
シロイヌナズナのリン脂質生合成変異株の低温生育阻害に関する生理生化学的研究

シロイヌナズナのpect1-4変異株は、CDP-エタノールアミン生合成活性(PECT1活性)が野生株の26%まで低下し、ミトコンドリアの膜脂質組成が変化し、低温生育阻害や早期花成など、多様な表現型を示す。植物の呼吸はCOX経路(COP; Cytochrome c oxidase pathway)と、そのバイパスとしてAOX経路(AOP; Alternative oxidase pathway)が存在するが、生育5週目のpect1-4変異株ではCOP活性が野生型に較べて40%低下している。したがって、pect1-4変異株は植物の生長や発達における呼吸調節の役割を解析するための新しい実験系として注目される。昨年度から今年度にかけて、pect1-4 aox1a-1二重変異株はその成長がpect1-4株よりも改善することを見いだした。pect1-4 aox1a-1株では、ミトコンドリア内膜の外向きNAD(P)HデヒドロゲナーゼNDB2の転写産物レベルが有意に上昇し、aox1a-1とあいまってCOPへの電子伝達活性が上昇し、それが原因で生育の改善をもたらされたと考えられる。今年度は、1)恒常的活性型AOX1a発現pect1-4植物を作成し、そのCOP活性を測定したところ、予備的な実験であるがCOP活性が異常なまでに低下する結果を得たので、研究期間を延長して、結果を確認しようとしている。また、2)pect1-4変異株のロゼット全体の呼吸活性の低下は、成熟葉と若い葉で較べると、若い葉で大きく低下していることもあきらかにした。3)pect1-4ミトコンドリアのBlueNative PAGEを行い、呼吸鎖複合体タンパク質の割合を調べたが、おおむね野生型の組成と変化はなかったが、複合体IIIダイマー(III2)に対するIII2-I複合体の割合がpect1-4で若干低下している傾向が見られた。pect1-4 aox1a-1植物で、pect1-4よりも低温での生育が改善することを見いだし、論文を作成中である。恒常的活性型AOX1a発現pect1-4植物を作成し、そのCOP活性を測定したところ、予備的な実験であるがCOP活性が異常なまでに低下する結果を得たので、研究期間を延長して、結果を確認しようとしている。(1)野生型、aox1a、pect1-4、およびpect1-4 aox1aを23°C、短日条件で2、3、4、5週間生育させ、さらに、8°Cで30日間生育させ、成長を比較した。pect1-4変異株は、3週間目で葉が淡緑色化し、その徴候は4週間目で顕著となり、5週間目ではが早期老化(黄化)の徴候が見られた。野生型、aox1a、およびpect1-4 aox1aでは、成長に顕著な違いがなかった。8°Cでさらに30日間生育させたところ、2週間目で低温処理したpect1-4では、約25% (n=8)が枯死し、残りは早期老化の徴候を示した。一方、3週間以上生育させたpect1-4個体では、枯死するものは無かったが、いずれも早期老化の徴候を示した。2週間目で低温処理したpect1-4 aox1aでは、38% (n=8)の個体が生育不全を示し、3週間目で低温処理した個体では早期老化の徴候はあったが、pect1-4に較べて生育が改善した。pect1-4では低温処理前の生育不全が低温での生育不全を増幅していると考えられる。低温処理したpect1-4 aox1aは、野生型やaox1aに較べて葉の黄緑色化が目立ち、ロゼットサイズがやや劣った。pect1-4を長期間生育させることにより、野生型との顕著な表現型の違いをあきらかにした。次年度に向けて、AOX1a過剰発現コンストラクトの作成を開始したほか、Blue Native Pageによる呼吸鎖タンパク質高次複合体組成の解析に向けた予備実験を開始した。ホスファチジルエタノールアミン(PE)はプラスチド膜以外の生体膜に存在するリン脂質で、シロイヌナズナでは、CDP-エタノールアミン合成酵素PECT1が律速する経路で合成される。pect1-4変異株はPECT1活性が野生株の26%まで低下し、低温生育阻害や早期花成など、多様な表現型を示す。短日条件(8L/16D)、湿度40%の生育環境で、5週間培養した植物を低温(8°C)に移し、さらに30日間培養を行うと、pect1-4ではWTに較べて個体が矮小化するなどの表現型がみられたが、pect1-4 aox1a-1ではそのような表現型が大幅に回復していた。一方、5週目のpect1-4ではWTに較べてCOP活性の有意な低下が確認できたが、pect1-4 aox1a-1変異株ではWTレベルに回復していた。pect1-4 aox1a-1二重変異株では、野生型やpect1-4株に較べて、ミトコンドリア内膜の外向きNAD(P)HデヒドロゲナーゼNDB2の転写産物レベルが有意に上昇していた。したがって、pect1-4 aox1a-1ではNDB2が発現上昇することにより、COP経路の電子伝達を改善し、ATP生産を確保することにより低温生育に改善をもたらしたと考えられる。

pect1-4 aox1a-1二重変異株では、野生型やpect1-4株に較べて、ミトコンドリア内膜の外向きNAD(P)HデヒドロゲナーゼNDB2の転写産物レベルが有意に上昇し、低温における生育の改善をもたらすという新たな知見を見いだしており、論文を作成中である。現在、恒常的にAOX活性を示すpect1-4 AOX1a*OX植物を作成中であり、H30年度中には、当初の予定通り低温におけるAOX1a過剰発現の影響を評価できる。シロイヌナズナのpect1-4変異株は、CDP-エタノールアミン生合成活性(PECT1活性)が野生株の26%まで低下し、ミトコンドリアの膜脂質組成が変化し、低温生育阻害や早期花成など、多様な表現型を示す。植物の呼吸はCOX経路(COP; Cytochrome c oxidase pathway)と、そのバイパスとしてAOX経路(AOP; Alternative oxidase pathway)が存在するが、生育5週目のpect1-4変異株ではCOP活性が野生型に較べて40%低下している。したがって、pect1-4変異株は植物の生長や発達における呼吸調節の役割を解析するための新しい実験系として注目される。昨年度から今年度にかけて、pect1-4 aox1a-1二重変異株はその成長がpect1-4株よりも改善することを見いだした。pect1-4 aox1a-1株では、ミトコンドリア内膜の外向きNAD(P)HデヒドロゲナーゼNDB2の転写産物レベルが有意に上昇し、aox1a-1とあいまってCOPへの電子伝達活性が上昇し、それが原因で生育の改善をもたらされたと考えられる。今年度は、1)恒常的活性型AOX1a発現pect1-4植物を作成し、そのCOP活性を測定したところ、予備的な実験であるがCOP活性が異常なまでに低下する結果を得たので、研究期間を延長して、結果を確認しようとしている。また、2)pect1-4変異株のロゼット全体の呼吸活性の低下は、成熟葉と若い葉で較べると、若い葉で大きく低下していることもあきらかにした。3)pect1-4ミトコンドリアのBlueNative PAGEを行い、呼吸鎖複合体タンパク質の割合を調べたが、おおむね野生型の組成と変化はなかったが、複合体IIIダイマー(III2)に対するIII2-I複合体の割合がpect1-4で若干低下している傾向が見られた。pect1-4 aox1a-1植物で、pect1-4よりも低温での生育が改善することを見いだし、論文を作成中である。恒常的活性型AOX1a発現pect1-4植物を作成し、そのCOP活性を測定したところ、予備的な実験であるがCOP活性が異常なまでに低下する結果を得たので、研究期間を延長して、結果を確認しようとしている。(1)AOX1a過剰発現植物を作成し、pect1-4と掛け合わせ、pect1-4表現型の相補を検証する。(2)Blue Native Pageにより、呼吸鎖タンパク質高次複合体組成の解析を行い、ミトコンドリアのPEレベルの低下がもたらす影響を解析する。(3)pect1-4は多面的表現型を示すので、それそれの表現型に対して綿密な遺伝学的解析が必要である。さらに、ゲノム編集技術を用いてpect1-4変異株を作出し、表現型とのリンクを証明する実験が必要なると考えられる。pect1-4 aox1a-1二重変異株では、ミトコンドリア内膜の外向きNAD(P)HデヒドロゲナーゼNDB2の転写産物レベルが有意に上昇し、低温における生育の改善をもたらすという新たな知見を見いだしており、論文をめざす。
放射線誘起による新規鉄錯体の合成と評価

我々は、本研究においてシュウ酸、クエン酸、マロン酸などを含んだ鉄錯体において、放射線誘起による新規な鉄錯体が得られることを明らかにし、その錯体の電子状態について評価した。放射線により分解しやすマロン酸を配位子とする鉄錯錯体として、K_3[Fe(C_3H_2O_4)_3].3H_2OやNa_3[Fe(C_3H_2O_4)_3].3H_2Oを合成した。また、対イオンとして放射線に対して耐性のあるフェナントロリニウム、ビピリジニウム、ターピリジニウム等を用いて、(Hphen)_3[Fe(CN)_6].5H_2O、(Hbpy)_3[Fe(CN)_6].H_2O、(Hterpy)_3[Fe(CN)_6].4H_2O、(Hphen)_2[Fe(CN)_5(NO)].2H_2O、[La(phen)_4][Fe(CN)_6].4H_2O、La[Fe(CN)_6].5H_2O等の鉄錯体を合成した。これらの錯体は、マロン酸鉄錯体を除けば、いずれも微結晶として2、3日で得られたが。マロン酸鉄錯体の場合には、2,3ヶ月を要した。K_3[Fe(C_3H_2O_4)_3].3H_2Oは繊維状の形状で得られ、メスバウアースペクトルは液体窒素温度で四極分裂の値が約0.7mms^<-1>のタブレットが観測されたが、大きな結晶として得られたNa_3[Fe(C_3H_2O_4)_3].3H_2Oは、電子緩和によるブロードなシングレットを示した。一方、ヘキサシアノ鉄(III)酸塩は比較的幅の広いダブッレトであった。これらの鉄錯体を^<60>Coのγ線を用いて一定の時間照射し、メスバウアー分光法により生成物を検討した。いずれの場合も、シュウ酸塩やクエン酸塩の場合に比較して安定で、吸収線量が10^3Gyでは変化は見られなかった。K_3[Fe(C_3H_2O_4)_3].3H_2Oにおいて、4.7×10^4Gyで四極分裂値が2.58mms^<-1>の高スピン2価の鉄化合物の生成(10%)が確認された。さらに照射を継続しており、放射線誘起によって生成する新規な鉄錯体の生成が期待できる。放射線により分解しやすいシュウ基を配位子とする鉄錯体、K_3Fe(C_2O_4)_3、(NH_4)_3[Fe(C_2O_4)_3]・3H_2O、(n-C_<16>H_<33>NH_3)_3[Fe(C_2O_4)_3]、La[Fe(C_2O_4)_3]・9H_2O、(Hbpy)[Fe (C_2O_4)_2(H_2O)_2]・H_2O、(Hphen)[Fe(C_2O_4)_2(H_2O)_2]・H_2OやCo(bpy)_3Cl_2やCo(phen)_3Cl_2と(NH_4)_3[Fe(C_2O_4)_3]・3H_2Oの3:2の混合物などにガンマ線を照射し、放射線によって誘起される新規な鉄錯体についてメスバウアー分光法を用いて評価した。いずれの鉄錯体も配位子であるシュウ酸の放射線分解によって生成される電子により鉄2価に還元されているが、それらの生成量や生成される錯体の種類は吸収線量や出発物質に依存している。La[Fe(C_2O_4)_3]・9H_2Oでは、完全に還元されすべてFe(C_2O_4)が誘起されたが、他の鉄(III)錯体では、鉄(II)の生成はなだらかな飽和曲線となり、100%にはいたらなかった。また、誘起された鉄(II)錯体も対イオンの種類により異なり、K塩では1種類のK_6Fe_2(C_2O_4)_5に対応するFe(II)錯体しか観測されなかったが、NH_4塩では2種類のFe(II)錯体が誘起された。C_<16>H_<33>NH_3塩やPh_4As塩は、同程度の線量では、ほとんどFe(II)を生成しなかった。また、HbpyやHphenでは、[Fe(bpy)_3]^<2->や[Fe(phen)_3]^<2->を対イオンとする新規な鉄錯体[Fe(bpy)_3][Fe_2(C_2O_4)_3]や[Fe(phen)_3][Fe_2(C_2O_4)_3]が形成された。これは耐放射線の配位子であるbpyがphenが還元された鉄原子と結合することによって形成されたものと考えられる。混合物系でも同様な傾向が観測された。
フィードバック処理による光パルス列自動整形とその応用

申請者らは、時空間変換光信号処理により超高速光信号を生成する光パルスシンセサイザを研究している。本研究では、この光パルスシンセサイザを発展させ、ルックアップテーブルをもとに任意光パルス列の高速出力等を行うシステムの実現と、その応用を目的とした。目的達成に向け、フィードバック処理系について、ハード、ソフト両面から検討を進め、ルックアップテーブルを自動生成する系を完成した。これにより、100Gbpsの高速な8bit信号列を生成すると共に、実時間での信号パターン切り替えの実証に成功した。また、伝送による信号歪みを予め補償する波形整形についても検討を行い、実験により有効性を示した。更に、任意形状短光パルスの生成とファイバ伝搬特性について、実験的検証を進めた。従来から短光パルスの伝搬特性についての研究は各種あるが、一台のレーザからは基本的に一種類の短光パルスしか生成できず、様々な条件下での特性を明らかにすることは困難であった。これに対し、申請者らのパルスシンセイサイザは自由自在に波形を制御できる。本研究では、ガウス型およびsech2型で、繰り返し周波数125GHzの短光パルスについて、様々な時間幅のパルスを生成し、その伝搬特性を明らかにした。今後、通信の大容量化に伴い、単位時間あたりのビット数の高密度化が進み、短光パルスの特性理解が次かせなくなる。その意味で、本研究成果は、将来の大容量光通信システム構築のための、重要な知見を与えるものとなる。次世代超高速光通信を実現するためのサブシステムとして、任意の高速光波形を自在に出力可能な信号源が求められている。申請者らのグループでは、任意の高速光パケット生成に向け、アレイ導波路回折格子(AWG)を用いたデジタル光パルスシンセサイザの開発を進めてきた。デジタル光パルスシンセサイザは、光周波数コムスペクトルを空間波形に変換し、各位置における光波の位相と振幅、すなわち光周波数コムスペクトルの位相と振幅を制御する時空間変換光信号処理を行うことで任意の光パケットを合成する。19年度の研究は、申請者らが今までの研究で開発した光パルスシンセサイザを用い、任意の光パルス列を即座に出力可能なシステムを実現することを目的とした。具体的には、光パルス列と制御信号の対応表であるルックアップテーブルを作成し、制御信号を実時間で変化させるシステムの構築を目標とした。1年間の研究で、光パルスシンセサイザのフィードバック制御により、lOOGbps, 8bitの任意RZ光パケット生成を自動生成することに成功した。更に、光パケットと制御信号の対応表であるルックアップテーブルを作成することで、これらのパケットを瞬時に切り替えて発生することが可能となった。今後、このような任意光パケットの生成システムは、光符号多重通信(OCDM)でのパケットルーティングにおけるヘッダ認識や、高速変調など、様々な次世代フォトニックネットワークヘの応用が期待される。
フロンによる成層圏のオゾン層破壊に関与する反応の基礎的研究

1.セルを赤外分光器に設置した状態で試料を導入するために、移動可能なガラス製真空ラインを製作させた。マトリックス単離試料調製用パルスジェネレ-タ-を製作した。低温測定用金属製セルを試作した。3.低温測定用セルを使用し、代替フロンの赤外吸収断面積の温度依存性を検討し、低温(216K)では線幅が減少し吸収極大が増大するが、積分吸収断面積はほとんど変化しないことを明らかにした。4.O_3の紫外光分解により生成するO( ^1D)と代替フロンとO_2との反応生成物を検討し、CH_3CCl_2FからCOClFなどが生成することを明らかにした。5.クロリンナイトレ-ト(ClONO_2)と水、塩化水素との反応を観測した。6.ホスフィンおよびアンモニアを希ガスマトリックス中に単離し、その赤外吸収スペクトルを測定した。またジホスフィンの固相光化学反応で黄色の固体リン化合物を得た。1.パ-キンエルマ-社製1720XS型FTーIR分光器を購入し、グリ-スレスで水銀フリ-の試料調製用の真空ラインと赤外および紫外分光用のセルの改良および試作を行なった。低温で気相ー気相反応の反応速度と平衡定数を求めるため、現有のクライオスタットを改良し、購入したFTーIRと組合せた測定装置を制作した。試料導入用のラインせ製作し、低温固体に関する予備的な研究を行なった。マトリックス単離法でパルス状試料調製用のパルスジェネレ-タ-を試作した。2.地球大気化学に関与し、現在使用量が増大している1,1,1ートリクロロエタン(CH_3CCI_3)と塩素ラジカルの反応により生成するCH_2CCI_3ラジカルと酸素の反応について研究した。CH_2CCI_3ラジカルは地球大気中においてCH_3CCI_3とOHラジカルとの反応で生成するが、CI原子の転移によりCH_2CICCI_2ラジカルに変化し、CIやCIOラジカルなどを放出する可能性が共同研究者のF.S.ロ-ランド教授より指摘されていた。しかし本研究による結果は、CH_2CCI_3ラジカルではCIの転移の可能性が低いことを示唆し、CH_2CCI_3はCCI_3CHOを経由して、COCI_2、CO、CO_2に分解することが推定された。またCH_2CICOCIのCI原子およびO_2との反応ではCOCI_2の生成は認められなかった。3.コイル状低圧水銀灯により周囲より光照射が可能な赤外分光器用のセルを設計し、惑星(木星)大気光化学に関係するホスフィン、ジホスフィンの気相光化学反応をFTーIRにより研究した。ジホスフィンは不安定であり市販されていないので、ジホスフィンの新しい簡便な調製法について研究し、テスラ-コイル、放電管、約160Kのエタノ-ルスラッシュを使用した放電化学法によりジホスフィンが容易に得られることが明らかになった。ホスフィンおよびジホスフィンの光化学反応固体生成物をFTーIRにより研究した。
ウシにおける植生識別能力の解明ならびに植生識別能力に配慮した草地の創出と評価

本研究課題の第1の目的である「ウシの植生識別能力の体系的把握と理解」に関して,以下の研究を実施した。【1】ウシが1 m程度の近距離から接近する際の草の識別能力および識別に対する視覚と嗅覚の寄与について,前年度の実験の手法的問題(1視覚制御が臭いの拡散にも影響したこと,2ファーストチョイスの失敗がウシにとって餌の損失につながらなかったこと)を克服する新たな手法を考案し,かつ識別対象の種類を増やし,単純化された制御下の実験によって再評価した。その結果,ウシは,視覚と嗅覚の両方が使用できる時には,緑草の有無,緑草と枯死草,緑草と緑草-枯死草混合草を識別できるが,嗅覚しか使用できない時には,緑草の有無,緑草と枯死草は識別できても,緑草と混合草は識別できないことが示された。【2】ウシが野外で移動しながら近距離の緑草と枯死草を視覚によって識別できるか否かについて,前年度の実験データをもとに,1視覚的手がかりとしての緑草と枯死草の特徴,2嗅覚的手がかりの使用の可能性,3識別対象における光の当たり方の影響(日陰か否か)などの観点から最終的な評価を行った。その結果,ウシは野外で移動しながら,25 cm四方の緑草と枯死草を2 mの距離から識別できるが,識別精度は低く(0.57),1 mの距離でもそれほど高くはない(0.700.72)と判定された。これには,12色色覚における視覚的コントラスト,2単眼視力,3動体視力および4視覚的注意深さが関わっていると考えられた。これらを論文として取りまとめ,国際誌に投稿した。本研究課題の第1の目的「ウシの植生識別能力の体系的把握と理解」の部分が,当初の予想よりもかなり複雑なために十分に進んでおらず,解決せねばならない疑問が残っていることから,第1の目的の成果に立脚して行われる第2の目的「ウシの植生識別能力に配慮した草地の設計・創出と評価・検証」の部分も当初の計画よりも遅れている。前半部分が十分に進んでいない理由には,1前年度までに実施した実験の手法に関する問題,2日々の状況や個体によって変化するウシの行動を踏まえた実験の計画や結果の解釈の困難さなどが挙げられる(【研究実績の概要】を参照)。本研究課題の第1の目的である「ウシの植生識別能力の体系的把握と理解」を優先し,未解明部分(特に,嗅覚による植生識別能力)を明らかにするための実験を行う。同時に,第2の目的である「ウシの植生識別能力に配慮した草地の設計・創出と評価・検証」についても実験を行い,草地の構造と動物の採餌との関係を検討する。また,4年間の結果を総合して,「ウシにおける植生識別能力」ならびに「植生識別能力に配慮した草地のあり方」について取りまとめる。本研究課題の第1の目的である「ウシの植生識別能力の体系的把握と理解」のために2つの実験を実施した。【1】視覚による植生識別に焦点を当て,ウシが緑草と枯死草という対照的な草を識別できるか,また,どの程度の距離から識別できるかについて検討を試みた。野外に試験区を設置し,現実の植生選択の状況に近づけつつ,嗅覚を利用した識別ができないような工夫を施した。実験を進めるうちに,偏側性,自発的交代,stay/shift戦略,枯死草に対する調査などの行動の関与のため,植生識別能力の評価が当初の予想よりも複雑かつ困難であることが明らかとなった。このため,最終的には,ウシが少なくとも1 mの距離から視覚によって緑草と枯死草を識別できることが示唆されたものの,識別距離の限界は評価できなかった。今後は,以上の行動特性を考慮した実験計画とデータ処理が必要であることが示された。【2】選択対象となる植生そのものに触れたり,植生を食べたりできるほどの近距離における植生識別に焦点を当て,コントラストの程度が異なる2組の植生(明瞭な対照:緑草と枯死草,より不明瞭な対照:2種類のイネ科草)を用いて,植生識別に対する視覚,嗅覚,触覚,味覚の寄与について評価した。偏側性,自発的交代,stay/shift戦略のいずれの行動特性にも適合しない個体を抽出し,解析した結果,ウシは,明瞭な対照の識別においては,視覚に大きく依存し,視覚が使えない時には,鼻口の触覚に大きく依存することが明らかになった。また,明瞭でない対照の識別においては,視覚以外の3つの感覚に同程度に依存することが示唆された。嗅覚の寄与は対照の明瞭度に依存しないと考えられた。交付申請書に記載した【平成28年度】の計画にほぼ沿って研究を実施できたため。本研究課題の第1の目的である「ウシの植生識別能力の体系的把握と理解」のために2つの実験を,第2の目的である「ウシの植生識別能力に配慮した草地の設計・創出と評価・検証」の予備段階として1つの実験を実施した。その結果,ウシが視覚により25 cm四方の植生(緑草と枯死草)を識別できる距離は約23 mの間にあると判断された。

【2】ウシが1 m程度の近距離から接近する際の草の識別能力および識別に対する異なる感覚(視覚,嗅覚など)の寄与を,単純化された制御下の実験によって評価した。その結果,ウシは,視覚の制限がない時には,視覚により緑草の有無をほぼ完全に識別できることが明らかとなった。緑草と枯死草の識別は完全ではないが,010 cm程度まで近づいて,他の感覚(嗅覚,触覚,味覚の少なくとも1つ)を併用することにより完全に識別できることが示された。他方,視覚が制限された時または利用不可の時には,接近当初は,緑草の有無や緑草と枯死草を識別できないが,10 cm程度離れた位置からは,嗅覚を用いて緑草の有無を識別できることが示された。しかし,10 cm程度離れた位置から嗅覚を用いても,緑草と枯死草を識別することはできないとみなされた。【3】現実の草地におけるウシの植生識別に関する情報を得るために,ウシの草地への入牧直後(800秒)の採餌行動を,ドローンを用いて測定し,草地内環境の空間変動との関係を検討した。その結果,800秒という短時間であっても,入牧直後のウシの採餌行動は様々な草地内環境と関係すると考えられた。交付申請書に記載した【平成28年度】および【平成29年度】の計画にほぼ沿って研究を実施できたため。本研究課題の第1の目的である「ウシの植生識別能力の体系的把握と理解」に関して,以下の研究を実施した。【1】ウシが1 m程度の近距離から接近する際の草の識別能力および識別に対する視覚と嗅覚の寄与について,前年度の実験の手法的問題(1視覚制御が臭いの拡散にも影響したこと,2ファーストチョイスの失敗がウシにとって餌の損失につながらなかったこと)を克服する新たな手法を考案し,かつ識別対象の種類を増やし,単純化された制御下の実験によって再評価した。その結果,ウシは,視覚と嗅覚の両方が使用できる時には,緑草の有無,緑草と枯死草,緑草と緑草-枯死草混合草を識別できるが,嗅覚しか使用できない時には,緑草の有無,緑草と枯死草は識別できても,緑草と混合草は識別できないことが示された。【2】ウシが野外で移動しながら近距離の緑草と枯死草を視覚によって識別できるか否かについて,前年度の実験データをもとに,1視覚的手がかりとしての緑草と枯死草の特徴,2嗅覚的手がかりの使用の可能性,3識別対象における光の当たり方の影響(日陰か否か)などの観点から最終的な評価を行った。その結果,ウシは野外で移動しながら,25 cm四方の緑草と枯死草を2 mの距離から識別できるが,識別精度は低く(0.57),1 mの距離でもそれほど高くはない(0.700.72)と判定された。これには,12色色覚における視覚的コントラスト,2単眼視力,3動体視力および4視覚的注意深さが関わっていると考えられた。これらを論文として取りまとめ,国際誌に投稿した。本研究課題の第1の目的「ウシの植生識別能力の体系的把握と理解」の部分が,当初の予想よりもかなり複雑なために十分に進んでおらず,解決せねばならない疑問が残っていることから,第1の目的の成果に立脚して行われる第2の目的「ウシの植生識別能力に配慮した草地の設計・創出と評価・検証」の部分も当初の計画よりも遅れている。前半部分が十分に進んでいない理由には,1前年度までに実施した実験の手法に関する問題,2日々の状況や個体によって変化するウシの行動を踏まえた実験の計画や結果の解釈の困難さなどが挙げられる(【研究実績の概要】を参照)。【平成29年度】平成28年度に引き続き,ウシの植生識別能力に関する実験を継続し,データを蓄積する。特に,視覚と嗅覚による植生識別能力に重点を置く。
データ包絡分析とニューラルネットワークによる最適広告媒体配分モデルに関する研究

データ包絡分析に関しては昨年度日本マーケティング・サイエンス学会で報告した「DEAアプローチによる媒体選択計画」をレベルアップした内容を、数量モデルを中心とした経営科学の下部組織でマーケティングサイエンスに特化した国際学会(2005 INFORMS Markting Science Conference)で報告した。セッションの聴衆以外の数人から発表内容のコピーの提供を求められた。今年度は主として、ニューラル・ネットワークの本研究への適用を意識して研究を進めた。昨年度からニューラルネットワークを計算する適切なパッケージソフトの探索を続けてきた。ニューラルネットワークの予測力という観点から、本研究に適用できるかどうかを検証するために、一般に使用されていてデータの性格が明確な2種類のテストデータを使って、入手可能な代表的なソフトの長所・問題点を明らかにした。その結果、データマイニングの分野では定評があるといわれているSAS社のエンタープライズ・マイナーとSPSS社のクレメンタインの両ソフトともデータマイニングという機能全体の一部としての扱いで有れば良いのかも知れないが、ニューラル・ネットワークに特化して広範囲の計算をするという観点からは、更なる展開のための必要なアウトプットの提供が行われないことや使い勝手という意味では、ユーザーとして使用に問題があるといわざるをえない。本年度新たに探索し入手したNeuralware社のソフトウェアPredictはニューラル・ネットワークに特化したソフトであり、EXCELのアドインとして機能するためユーザーにとっての操作性がよい。基本的な長所であるが、入力変数に対して数種類の変数変換を自動的に行い、出力変数と変換を施した入力変数とのもっとも適切な関係を検出する能力に優れている。このPredictを使って2種類の検証用のデータでその予測力を算出したところ極めて良好な結果を得ることができた。広告キャンペーンのデータに適用したがデータ件数が少ないので良好な結果得られなかった。今後の課題として、ニューラル・ネットワーク適用にあたってのデータ操作や、データの蓄積の必要がある。本年度は最適な広告媒体配分モデルの作成にあたり、過去におこなわれてきた関連分野の研究のサーベイをおこなってきた。主として広告媒体配分問題に対してデータ包絡分析(DEA)やニューラルネットワークを使った研究業績があるのかどうかという観点からサーベイをおこなった。同時にデータ包絡分析の研究動向や適用分野に関して、またニューラルネットワークについても同様に最新の研究業績や適用範囲の拡大に注目してサーベイをおこなった。また従来、テレビのスポット広告に限定して、データ包絡分析アプローチを適用してモデルを作成してきたが、そのアプローチを、新聞、雑誌、テレビ、ラジオといった性質の異なる広告媒体の配分計画に適用したモデルを開発し、限定的ではあるが入手できた現実のデータを使ってその妥当性を検証してみた。この成果は平成15年7月にベルギーのブリュッセルでおこなわれた第9回ABAS (Academy of Business & Administrative Science)国際会議にて「広告媒体選択計画に対するデータ包絡分析アプローチ(A Data Envelopment Analysis Approach to Media Selection Planning)」というタイトルで報告した。ニューラルネットワークを使ったアプローチに関しては、共同研究者である日本広告審査機構(申請時株式会社大広所属現在出向)の瀬戸口香がおこなった過去の研究を基礎にして適用可能性を検討している段階である。さらにモデルを検証するための、現実に利用可能なデータ収集も同時並行的におこなっている。本年度は昨年開発した、性質の異なる広告4媒体(新聞、雑誌、ラジオ、テレビ)に対する配分問題に対して、データ包絡分析アプローチを使った最適配分モデルの適用可能性をさらに多くのデータを使って検証してみた。今回のデータでの知見は、実務家の間では広告予算が少ない場合には広告4媒体に平均して投入するのではなく、主として雑誌を中心とした印刷媒体に予算が投入され、利用可能な予算が多い時には、テレビと印刷媒体でも雑誌よりは新聞へと広告の投入方法が変わるという現象が明確になった。

この研究成果は平成16年の12月に開催された日本マーケティング・サイエンス学会で「DEAアプローチによる媒体選択計画」というタイトルで報告した。この報告に関して某広告代理店の役職者が、顧客へのデータ分析サービスの一環として共同研究させてほしい旨の依頼があった。このモデルの実用可能性を共同研究を通してより高められるのではないかと期待している。一方ニューラルネットワークの本研究への適用に関しては、入力変数と出力変数間の関数関係の解明に利用可能性があると考えられる。の科その理論的な背景と短所長所を多くの文献のサーベイを通じて確認している。さらに現在一般に入手可能な、いくつかのニューラルネットワークを計算できるパッケージソフトを試用して、それぞれのソフトの有効性と限界を明確にして我々の研究に利用可能であるのかについて検討を進めている。入手した、定評があり代表的なソフトはSAS社のエンタープライズマイナー、SPSS社のクレメンタイン、数理システム社のS-PLUSの3つのソフトであり、計算速度、解の安定性、柔軟性などの観点から比較検討している段階である。その他個人的に作成したいくつかのプログラムに関してもインターネットなどを検索して探索中である。データ包絡分析に関しては昨年度日本マーケティング・サイエンス学会で報告した「DEAアプローチによる媒体選択計画」をレベルアップした内容を、数量モデルを中心とした経営科学の下部組織でマーケティングサイエンスに特化した国際学会(2005 INFORMS Markting Science Conference)で報告した。セッションの聴衆以外の数人から発表内容のコピーの提供を求められた。今年度は主として、ニューラル・ネットワークの本研究への適用を意識して研究を進めた。昨年度からニューラルネットワークを計算する適切なパッケージソフトの探索を続けてきた。ニューラルネットワークの予測力という観点から、本研究に適用できるかどうかを検証するために、一般に使用されていてデータの性格が明確な2種類のテストデータを使って、入手可能な代表的なソフトの長所・問題点を明らかにした。
マイクロ加工技術によるゲノムDNAの分子解剖

一枚のガラス上に3つの機能部、細胞を観察視野内へ搬送して一列に整列するアレイ部、細胞内の染色体を露出させてDNA分子個々を直線状に伸張するファイバ部、そして、伸張されたDNAを把持してFISHや末端間物理長計測を可能とするアナライザ部、を統合した検鏡用スライドマニピュレータを開発した。アレイ部は一辺10ミクロンの三角柱群から成る列構造で、光リソグラフィにより製作した。水中、スライドガラス上において流体駆動力(進行波および電気浸透)を発生させたところ、駆動力で運搬された細胞(分裂酵母およびヒト子宮頸ガン由来)は三角柱間の隙間にトラップされ、設計どおり一列に整列固定された。アレイ化された細胞に可溶化処理とDNA染色処理を施してからファイバ部において電気浸透を印加したところ、細胞各々から染色体が溶出されてファイバを形成した。得られたファイバは視野(1ミリ)を超える長さにまで達しており、従来の風乾ファイバ法で報告されている伸張長の限界(0.2ミリ)に勝った。この優位性の源は本研究のファイバ化が終始水中かつ制御電場下で行われるためであり、風乾にともなうDNAの破断や散逸などの欠点を回避している点にあった。アナライザ部には10ミクロンの径と高さをもつ微小円柱群を配した。染色体ファイバー本一本を、ベクトルの異なる電気浸透流で操作しながら円柱群に誘導して側壁に接触させたところ、静電力によりファイバは壁に吸着して円柱間に懸架された。このような多点固定のファイバはFISHプローブからのアクセスを保証するため、高分解能・高ハイブリダイズ効率という価値を産み出した。アナライザ部においてEGFR遺伝子とc-myc遺伝子のFISH可視化に成功し、現在、例証を蓄積しているところである。また、この特定領域を基盤にして、産官学連携(日本板硝子社、科学技術振興機構、京都大学)の事業化育成研究に着手している。(以上799字)一枚のガラス上に3つの機能部、細胞を観察視野内へ搬送して一列に整列するアレイ部、細胞内の染色体を露出させてDNA分子個々を直線状に伸張するファイバ部、そして、伸張されたDNAを把持してFISHや末端間物理長計測を可能とするアナライザ部、を統合した検鏡用スライドマニピュレータを開発した。(以上799字)既存の特許に抵触しない次世代遺伝子ターゲッティング装置を実現するため、チップ上で細胞を配列し、核内のすべての染色体を溶出し、凝縮した染色体DNAを伸長整列(ファイバー化)し、ファイバー化DNAを溶液中で把持し、DNAに対してプローブが立体障害を受けることなくアクセスできる基盤技術を開発した。昨年度までに、ガラス上に電気浸透流(EOF)を発生させると染色体DNAがファイバー化されることを見出した。しかしEOFが乱流を含んでいたため再現性が低いという欠点があった。そこで本年度は、乱流を解決するための電極形状を考案し、さらに溶液溜めを電極近傍に設けたところ、分裂酵母由来の染色体DNAが従来技術の3倍以上に相当する800μmに達するまでファイバー化された。高い再現性を獲得したことから、ハイスループットのFISH解析への応用が期待される。昨年度の2番目の問題点として、複数の細胞由来のファイバー化DNA同士が重なり合い、DNAの観察と同定が困難であった。そこでファイバー化DNAが重複しないように、伸長の起点である細胞を、一定間隔おきに一列に配置するためのフォトレジスト製「マイクロドック」を作製した。EOFにより酵母細胞各々を搬送してドック一つ一つに格納したところ、確かに独立かつ並列に伸長したファイバー化DNAが得られた。昨年度の3番目の困難は、電圧印加を終了してEOFが停止すると、ファイバー化DNAが元の凝縮した染色体へと弾性変形することであった。

これを解決するため、ファイバー化DNAを保持出来る「マイクロピラー」を基板上に設置した。EOFの向きを操作してファイバー化DNAをピラーの側面に押し当てたところ、DNAは吸着されてドックとピラーの間で懸架出来ることを証明した。現在、このような新しいファイバー化DNAがFISH解析に有効な試料であることを実証中である。FISHやカリオタイピングのハイスループット化を実現するには、長大なDNA繊維を顕微鏡視野内で把持し、向きを計測しやすいように操作すればよい。このための3つの要件、1)細胞一個一個をチップ上の縁石構造物で挟み込み整列させる、2)細胞内の全染色体分子を溶出してファイバー状に展開し、指定の観察視野に誘導する、3)誘導された染色体ファイバーを断片化することなく安定に固定する、を満たした技術を、医工融合・企業連携体制の元で実現した。要素1の工夫により、現行法の問題点であった染色体分子が散乱し互いに重積して観察を阻害する不具合が解消された。要素2は、チップ表面近傍に電気浸透流を発生させ、その剪断力を染色体に印加することより実現した。電気浸透流の力と向きは外部から自在に制御できるため、流れの中の染色体ファイバーを搬送したり回転したりすることに成功した。さらに、制御された電気浸透流は、要素1の前段階である細胞をチップ上の指定位置まで輸送するときにも有効であることを見出した。要素3に関して、DNAと親和性の高いアミノ基を表面に修飾した微小柱(高さと径10ミクロン)をチップ表面に建て、染色体ファイバーを各柱の側面に接着させることにより吊り橋状に懸架する手法を考案した。分裂酵母染色体で試行したところ、末端間距離が1.7mmと1.4mm(5Mbpと4.1Mbp相当)のファイバーが得られた。これらはそれぞれ第1染色体と第2染色体の完全長に該当するが、両者の間の1Mbpの長さの差を判別できたことから、物理長測定という新しい多型解析の基盤が得られた。本研究で操作される染色体ファイバーは多点支持されて溶液中に提示される。このことは従来のFISH解析に高空間分解能・高ハイブリダイズ効率という新価値を与える。
エピ変異体の解析により明らかにする脱分化・再生過程におけるDNAメチル化の役割

特定の遺伝子領域のDNAメチル化のパターンが野生型と異なるシロイヌナズナのエピジェネティック組換え自殖系統群(epiRILs)に対して、カルス化とシュート再生誘導実験を行い、野生型よりもシュート再生効率が高い系統と低い系統をそれぞれ複数単離した。安定に表現型を示すシュート再生効率が高い系統について遺伝解析を行ったところ、この形質は優性で、少なくとも2つ以上の遺伝子座の影響に依ることが明らかになった。動物と同様に植物においてもDNAメチル化が脱分化・再生の過程に関与する事が知られているが、DNAメチル化がどのような遺伝子に作用しているのかは明らかでない。本研究課題では、脱分化・再生過程に異常の見られるエピ変異体を、DNA配列は野生型とほぼ同じであるが、ゲノム上の領域によってDNAメチル化のパターンがそれぞれ異なる、エピジェネティック組換え自殖系統(epiRILs)から単離し、その原因遺伝子を同定する事で、DNAメチル化の作用機構を明らかにすることを目指している。本年度は、epiRILs系統から切り出した根や胚軸に対して、植物ホルモンであるオーキシンとサイトカイニンを与える事で、カルス化とシュート再生試験を行った。その結果、少なくともシュート再生効率が低下する2系統と、上昇する1系統を得る事に成功した。中でもシュート再生効率が上昇する系統では、カルス化を誘導した際に、緑化が進むという表現型も観察された。これらの系統の次世代を観察したところ、シュート再生効率への影響は比較的安定に遺伝し、特にシュート再生効率が上昇する系統では、次の世代のほとんど全ての植物で、表現型が観察された。この最も安定なシュート再生効率が上昇する系統に対して戻し交配を行い、連鎖解析を試みたところ、原因遺伝子は1遺伝子座で、4番染色体上に座乗する可能性が示唆された。また本年度は、これらの系統のDNAメチル化の状態がより安定化する事を期待して、新規DNAメチル化酵素の変異体との二重変異体を作出した。前年度に引き続き、特定の遺伝子領域におけるエピ変異体(DNAメチル化のパターンが変化している変異体)のシロイヌナズナ系統集団であるエピジェネティック組換え自殖系統群から、脱分化・再生過程に異常の見られる系統の選抜を行い、最終的に、シュート(地上部器官)の再生効率の高い系統を2系統,低い系統を2系統それぞれ得ることに成功した。ほとんどの系統でこれらの表現型形質は次世代でも観察されたが、今年度は、表現型形質が安定して次世代に遺伝する、A471と名付けた系統に特に着目して遺伝解析を進めた。A471系統ではシュート再生効率が野生型より高いことに加えて、脱分化誘導条件において、野生型では決して緑化しない条件で、緑化を示した。つまり脱分化誘導条件において、A471系統は脱分化状態を維持できずに、シュートへの再分化が始まってしまうと考えられた。戻し交配して遺伝解析を行った結果、(1)雑種第一世代で表現型を示したことから、これらの表現型は優性形質であること、(2)雑種第二世代の観察結果から高いシュート再生効率と脱分化誘導条件における緑化は連鎖しており、同一の遺伝子座の影響に依る可能性が高いこと、(3)雑種第二世代の表現型の分離比から、少なくとも2遺伝子座以上がこれらの表現型が関わる事、が予想された。また連鎖解析によって原因遺伝子を同定するために、遺伝背景の異なる野生型系統に戻し交配し、雑種第二世代における表現型を観察した。その結果、同様の表現型が観察されたことから、A471系統は連鎖解析によって原因遺伝子座が同定できる可能性が示された。今後はA471系統の連鎖解析を進め、次世代シーケンサーによるゲノム上の多型マーカーの解析とトランスクリプトーム解析と組み合わせることにより、原因遺伝子の同定を行う。植物分子遺伝学本年度は、比較的安定に次世代に遺伝する表現型を示すエピ変異体の候補を、3系統、得る事に成功した。また少なくとも1系統は遺伝解析がある程度は可能である事を示す結果が得られている。この点は、計画通りで大きな問題もなく進展している。次年度は研究実施計画通り、得られた系統に対するトランスクリプトーム・DNAメチローム解析を行うことで、どのような遺伝子群の発現およびDNAメチル化が変化しているかを明らかにする予定である。また本年度に引き続き、遺伝学的な連鎖解析を行い、原因遺伝子の遺伝様式やコピー数、座乗染色体などの詳細を明らかにしていく。当初予定していた約70系統に対するカルス化とシュート再生試験が全て完了する前に、比較的安定に次世代に遺伝するエピ変異体の候補を複数系統、得られる事ができた。そのために途中で大規模なスクリーニングを終了し、3つの候補に絞った解析を行ったため、経費を抑える事が出来た。また経費の必要とする分子レベルでの解析は次年度に集中して行い、まず本年度はこれらの系統の遺伝解析を集中して行う事が効率的であると判断し、次年度に繰り越した。本年度使用しなかった経費を次年度における遺伝子の同定など、分子レベルでの解析に使用する。
海洋マイクロプラスチックの生物作用を介した鉛直輸送過程の解明

マイクロプラスチックは海洋表層だけでなく海底堆積中からも検出されていることから、最終的に海底へと沈降すると考えられている。海底堆積中から海水より比重が軽いマイクロプラスチックが検出されている。そのため、マイクロプラスチックの海底への沈降には1沈降粒子の共凝集、2付着生物の形成、3小型魚類や動物プランクトンによる摂食による糞粒へのパッキング、といった生物的過程を経ると想定されているが、現場環境下においてマイクロプラスチックの沈降過程を明らかにした例はない。本研究では、セジメントトラップとゲルトラップを使い、マイクロプラスチックが生物を介することによってどのように沈降するのかを明らかにする。
磁気流体乱流中の荷電粒子の拡散・加速過程の高次統計解析

磁気流体(MHD)乱流中の高エネルギー荷電粒子の拡散過程を、数値シミュレーションおよび理論計算により議論した。垂直拡散、沿磁力線拡散のいずれにおいても、拡散係数は観測する時間スケールに依存し、粒子軌道の時系列は非ブラウン運動的となった。以下に得られた知見を示す。1.垂直拡散粒子のラーマ半径が、磁場ゆらぎの空間スケールよりも十分に小さい場合には、粒子は磁場の大きさの等高線に沿って運動し、粒子の拡散過程は非古典的となった。磁場大きさの等高線が成す磁場アイランドの統計(フラクタル次元、磁場アイランド分布のベキ指数)を数値的に評価した。これら磁場アイランドを特徴付ける指数と、粒子の拡散係数の時間スケールを表すベキ指数との間のスケーリング則を、数値計算および理論計算により確認した。2.非ブラウン運動の時系列解析MHD乱流中の粒子運動は、停滞と歩行の組み合わせで記述できる(非ブラウン運動である)。与えられた粒子運動の時系列を、粗視化スケールと速度閾値をパラメータとし、停滞と歩行の時間間隔に分離するアルゴリズムを考えた。時系列に含まれるノイズが小さい場合には、時系列データのサンプリング幅が小さいほど良く分離できる。ノイズが大きい場合には、粗視化スケールを大きくすることでノイズは除去されるが、短いスケールの情報が失われる。3.沿磁力線拡散2.の時系列分離の方法を用い、数値計算により得られた時系列を反射時間間隔に分離し、粒子のピッチ角分布および反射時間分布を評価した。得られた分布より、沿磁力線方向の拡散係数をあるピッチ角閾値より分けて定量的に評価した。磁場ゆらぎが小さいと、ピッチ角が小さい部分の拡散係数への寄与はほとんどないが、磁場ゆらぎが大きくなるに従い、拡散係数へのピッチ角依存性はなくなった。今後、ピッチ角に依存する拡散係数の、実際の衛星観測によって評価可能な方法を検討する。磁気流体乱流中の高エネルギー荷電粒子の拡散過程を理論および数値実験により議論した。平均磁場に垂直に拡散する場合と、平行に拡散する場合について得られた新たな知見を以下に示す。1.2次元磁場ゆらぎ中での垂直拡散粒子のラーマ半径が、磁場ゆらぎの相関長と同程度もしくは小さい場合拡散過程は非古典的であり、粒子位置の確率分布関数は、ある時間スケールで自己相似性を持つことを示した。粒子が歩行する時間間隔と停滞する時間間隔をランダムに繰り返す1次元酔歩モデルは、Weeks et al.(1996)により議論されており、今後われわれの数値実験の結果をこの理論と比較・検討する。2.1次元磁場ゆらぎ中での沿磁力線拡散(1)べき乗のパワースペクトルを持つ磁場ゆらぎの場合:粒子の平均磁場に対するピッチ角が磁場ゆらぎによって十分散乱される時間スケールでは、拡散過程は古典的であった。数値実験により評価された拡散係数は、準線形理論が示唆する値と有意に異なった。空間的に相関があるパルス的な磁場ゆらぎの下での粒子軌道は、ランダムな磁場ゆらぎ中での粒子軌道とは、定性的に異なる様子が観測された。(2)複数磁場パルスモデルの場合:上の議論を受けて、パルス的な確場ゆらぎを1次元空間に統計的に与え、粒子はパルスを透過、またはパルスによる反射を、ランダムに繰り返す1次元酔歩モデルを考えた。ここで、粒子は高エネルギーであるため、粒子が経験するパルスは時間的に定常であると仮定した。拡散過程はパルス間隔の分布に依存し非古典的となった。この場合、古典的拡散係数は時間スケールのべき乗で表される。われわれのモデル(非マルコフ過程)で得られたべき指数は、上で述べたWeeks et al.のモデル(マルコフ過程)における理論値より小さい値を示した。

磁場ゆらぎが小さいと、ピッチ角が小さい部分の拡散係数への寄与はほとんどないが、磁場ゆらぎが大きくなるに従い、拡散係数へのピッチ角依存性はなくなった。今後、ピッチ角に依存する拡散係数の、実際の衛星観測によって評価可能な方法を検討する。