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宇宙暗黒時代から現在に至る統一的銀河スペクトル進化モデルの構築

惑星や生命の原材料である重元素は,ビッグバンではなく星で作られる.よって,宇宙の重元素合成史を解明するには,星の誕生と死が織りなす銀河の形成および進化を理解することが不可欠である.本研究では,星形成史・重元素合成史を星・ダスト生成および星間物質の多相を整合的に扱うことでこの問題に挑んだ.まず星形成・重元素合成史に整合的で,かつ星間物質の様々な相でのダスト粒子の成長・破壊を考慮することで,銀河年齢100億年以上にわたって整合的にダスト粒子の進化を追う理論の構築に成功した.さらに星間物質の複雑な構造を取り入れた,銀河の電波から紫外線までの輻射モデルを完成させた.宇宙の星形成史は宇宙開闢以来の重元素合成史の解明に本質的に重要である.本研究ではこれまで星,ダスト放射のみを扱っていた銀河のスペクトル進化モデルを,星間ガスの多相モデル及び力学を導入することで,全体がガスの状態の原始銀河から大半が星に転化した現在の銀河まで,あらゆる銀河年齢に対応するモデルに拡張する.また本研究期間中に得られるHerschel等の観測データを用いてモデルを徹底検証・改良することで,宇宙暗黒時代から現在まで適用可能な銀河のSEDモデルを構築する.これを用い,来るべきz>6-10(宇宙年齢10億年以下)の観測計画(JWST,ALMA,SKA)等への予言を行うことが目的である.23年度はまずデータとの比較のため,私がメンバーとして参加しているHerschel宇宙望遠鏡による550平方度の広域サーベイH-ATLASおよび紫外-近赤外線サーベイGAMA (Galaxy And Mass Assembly)のデータによる赤外・紫外線光度関数の構築を行った.この成果は国際会議で発表し,論文も投稿して好意的な査読報告を受け取った段階である.ダストの散乱過程については,まず減光曲線の計算が終了し,論文として発表できる段階まで達している.次にダスト進化へのガスの多相モデルの導入についても,星間物質の多相(高温ガス,低温中性ガス,分子ガス)の物理を理論に取り入れ,それぞれの中で異なったダスト成長と破壊過程が進むことを正しく考慮した理論モデルの構築に成功した.この結果は日本天文学会で発表済みである.宇宙の星形成史は宇宙開闢以来の重元素合成史の解明に本質的に重要である.本研究ではこれまで星,ダスト放射のみを扱っていた銀河のスペクトル進化モデルを,星間ガスの多相モデル及び力学を導入することで,全体がガスの状態の原始銀河から大半が星に転化した現在の銀河まで,あらゆる銀河年齢に対応するモデルに拡張する.また本研究期間中に得られるHerschel等の観測データを用いてモデルを徹底検証・改良することで,宇宙暗黒時代から現在まで適用可能な銀河のSEDモデルを構築し,次世代観測への予言を行うことが目的である.25年度は前年度に引き続き、ダスト粒子のサイズ進化モデルの発展について大きな進展がった.銀河中の重元素の進化は化学進化によって記述されるが,重元素の固体微粒子であるダストの進化に応用するには,様々な星間物理を考慮する必要がある.我々は星間物質の多相(高温ガス,低温中性ガス,分子ガス)の物理を取り入れ,それぞれの中で異なったダスト成長と破壊過程が進むことを正しく考慮したうえで、全銀河年齢100億年にわたって適用できる自己整合的な理論の構築に世界で初めて成功した.これを応用し,紫外線から可視光線でのダスト粒子による輻射の減光曲線の理論を構築した.この成果についての論文も学術雑誌に受理済みである。これを発展させ、ダスト放射を扱うモデルに適用する試みを進めている。上記の減光曲線の進化モデルを検証するため,高赤方偏移銀河の減光曲線を求める観測的研究を開始し,初期成果は国際会議にて発表した。現在はより詳細な解析結果を得ており、論文を執筆中である,また長波長の究極の電波観測装置計画であるSKAへの応用のため,銀河の星形成率,全バリオン質量,全質量の間に成り立つ新しい経験則を発見し,いくつかの国際研究会にて報告した。これをさらに推し進めるための観測提案も行っている。宇宙の星形成史は宇宙開闢以来の重元素合成史の解明に本質的に重要である.本研究ではこれまで星,ダスト放射のみを扱っていた銀河のスペクトル進化モデルを,星間ガスの多相モデル及び力学を導入することで,全体がガスの状態の原始銀河から大半が星に転化した現在の銀河まで,あらゆる銀河年齢に対応するモデルに拡張する.また本研究期間中に得られるHerschel等の観測データを用いてモデルを徹底検証・改良することで,宇宙暗黒時代から現在まで適用可能な銀河のSEDモデルを構築し,次世代観測への予言を行うことが目的である.24年度は特にダスト粒子のサイズ進化モデルについて大きな進展があった.銀河中の重元素の進化は化学進化によって記述されるが,重元素の固体微粒子であるダストの進化に応用するには,様々な星間物理を考慮する必要がある.我々は星間物質の多相(高温ガス,低温中性ガス,分子ガス)の物理を取り入れ,それぞれの中で異なったダスト成長と破壊過程が進むことを正しく考慮したうえで、全銀河年齢100億年にわたって適用できる事故整合的な理論の構築に世界で初めて成功した.この成果は学術雑誌に掲載済みである。この理論を銀河の輻射モデルに適用するのが次の目標である.これについてはまず,紫外線から可視光線でのダスト粒子による輻射の減光曲線の理論を構築した.この成果についても既に論文としてまとめており、間もなく投稿する.

上記の減光曲線の進化モデルを検証するため,高赤方偏移銀河の減光曲線を求める観測的研究を開始し,初期成果はH25年度の国際会議で発表が決定している,また長波長の究極の電波観測装置計画であるSKAへの応用のため,銀河の星形成率,全バリオン質量,全質量の間に成り立つ新しい経験則を発見し, SKA関連の研究会にて報告した.宇宙の星形成史は宇宙開闢以来の重元素合成史の解明に本質的に重要である.本研究ではこれまで星,ダスト放射のみを扱っていた銀河のスペクトル進化モデルを,星間ガスの多相モデル及び力学を導入することで,全体がガスの状態の原始銀河から大半が星に転化した現在の銀河まで,あらゆる銀河年齢に対応するモデルに拡張する.また本研究期間中に得られるHerschel等の観測データを用いてモデルを徹底検証・改良することで,宇宙暗黒時代から現在まで適用可能な銀河のSEDモデルを構築する.これを用い,来るべきz > 6ー10 (宇宙年齢10億年以下)の観測計画(JWST, ALMA, SKA等)への予言を行うことが目的である.H26年度は前年度に引き続き、ダスト粒子のサイズ進化モデルについて大きな進展があった。銀河中の重元素量の進化は化学進化理論によって記述されるが、重元素の固体微粒子であるダスト粒子の進化に適用するには様々な星間物理過程を整合的に考慮する必要がある。我々は星間物質の多相(高温ガス、低温中性ガス、分子ガス)の物理を取り入れ、銀河年齢100億年全ての範囲にわたって適用できる自己整合的な理論の構築に世界で初めて成功した。この結果を我々の銀河系や近傍銀河、クェーサーのダスト減光曲線の最新の観測に応用し、これを再現することに成功した。この結果は2本の学術論文として公表済みである。この新理論はダスト進化を越え、新しい応用的側面が発展している。現在ALMA望遠鏡などによる超遠方銀河のガス量を観測的に求めるために、ダスト量とガス量の経験的相関によって換算する方法が用いられている。しかし、我々の理論はこの関係が遠方銀河のような化学進化の進んでいない系では破綻することを示している。我々はこれを整合的に求め、まず観測データの揃っている中間赤方偏移の銀河の星間物理の観測に応用する計画を立て、これを推進している。これはALMAとSKAをつなぐ研究として期待できる。宇宙の星形成史は宇宙開闢以来の重元素合成史の解明に本質的に重要である.本研究ではこれまで星,ダスト放射のみを扱っていた銀河のスペクトル進化モデルを,星間ガスの多相モデル及び力学を導入することで,全体がガスの状態の原始銀河から大半が星に転化した現在の銀河まで,あらゆる銀河年齢に対応するモデルに拡張する.また本研究期間中に得られるHerschel等の観測データを用いてモデルを徹底検証・改良することで,宇宙暗黒時代から現在まで適用可能な銀河のSEDモデルを構築する.これを用い,来るべきz > 6ー10 (宇宙年齢10億年以下)の観測計画(JWST, ALMA, SKA等)への予言を行うことが目的である.H27年度は、本課題における懸案であった銀河内のダスト分布の非一様性を取り入れ、かつダスト粒子による光子の吸収・散乱、熱的再放射を取り扱う輻射の新理論を構築することについに成功した。
イオン流を伴う気液２相流体の可視化と電気流体力学現象のモデリング

本研究の目的はイオン流を伴う気液2相層状流の可視化と定量解析のモデリングを具体化することであった。実験では気体側から気液界面および液体内部へ進展するパルス性状のイオン流を定量化するため、磁気プローブを製作して気相および液相における誘電的特性および電気伝導特性を評価し、液体の導電率が電気流体力学効果に大きな影響を及ぼすことを定量化した。そして、実験より得た結果を考慮しながら定常状態から過渡状態への電気流体力学現象のモデリングを検討し、実験結果に整合する数値解析および定量的な評価の方法について具体的な知見を得ることができた。本研究はイオン流を伴う気液2相層状流の可視化と定量解析のモデリングを具体化すること、ならびに本現象を解明して応用面を開拓することを研究の目的としている。すなわち、電気流体力学分野で重要な流れ場の解析を対象に、気液2相流体の電気流体力学的イオン流場の流速計測技術を開発すると同時に、その電気的駆動力による流体力学的効果の定量解析からコンピュータシミュレーションのためのモデリングを具体的にすることである。本年度は、気液2相電気流体力学現象を誘起する電気的駆動力について、これまでの定常領域の解析から非定常領域でも定量化できるようにするため、過渡状態を含む数値電界解析のモデリングに着手した。特に、気体と液体の界面における流れ場の過渡現象解析は、電気流体力学効果を具体化する目標から極めて重要である。そこで、まず気体側から気液界面および液体内部へ進展するパルス性状のイオン流を定量化するため、磁気プローブを製作して気相および液相における誘電的特性および電気伝導特性の測定を実施した。実験では、前年度に定常状態の解析のために製作した評価モデルを使用した。すなわち、円柱状容器に導電率の異なる液体を満たし、その液面から5mm上方の気相に針状放電電極を配置したモデルを供試した。パルス性状の放電電流は、気液界面および容器底部の計9カ所で測定し、イオン流を伴った過渡的な伝導であることを定量化した。その結果、液体の導電率が電気流体力学効果に大きな影響を及ぼすことを確認することができた。次に、実験より得た結果を考慮しながら数値電界解析を実施した。本年度の研究活動においては、計画通り定常状態から過渡状態への電気流体力学現象のモデリングと解析へ前進させ、実験結果に整合するイオン流の数値解析および定量的な評価の方法について具体的な知見を得ることができた。すなわち、電気流体力学分野で重要な流れ場の解析を対象に、流速ベクトル分布を定量化するために粒子画像流速測定法(Particle Image Velocimetry:PIV)の適用技術をレーザー誘起燐光画像に適用して、気液2相流体の電気流体力学的イオン流場の流速計測技術を開発すると同時に、その電気的駆動力による流体力学的効果の定量解析からコンピュータシミュレーションのためのモデリングを具体的にすることである。本年度は、流れの可視化実験による現象の定量化を行い、数値電界解析および数値流体解析のモデリングに着手した。特に、気体と液体の界面における流れ場解析は,電気流体力学効果を具体化する目標から極めて重要である。そこで、まず気体側から気液界面および液体内部へ進展するイオン流を定量化するため、実験による放電電流分布の評価を行った。実験では、円柱状容器(直径590mm、高さ130mm)に導電率の異なる液体(0.162, 20.34および34.74 mS/cm)を満たし、その液面から5mm上方の気相に針状放電電極を配置したモデルを供試した。放電電流は、気液界面および容器底部の計9カ所で測定し、イオン流を伴った伝導であることを確認した。その結果、液体の導電率が電気流体力学効果に大きな影響を及ぼすことを定量的に評価することができた。本年度の研究活動においては、定常状態としての電気流体力学現象のモデリングと解析であったものの、実験結果に整合するイオン流の数値解析および定量的な評価が可能となった。本研究はイオン流を伴う気液2相層状流の可視化と定量解析のモデリングを具体化すること、ならびに本現象を解明して応用面を開拓することを研究の目的とした。すなわち、電気流体力学分野で重要な流れ場の解析を対象に、気液2相流体の電気流体力学的イオン流場の流速計測技術を開発すると同時に、その電気的駆動力による流体力学的効果の定量解析からコンピュータシミュレーションのためのモデリングを具体的にすることであった。本年度は、気相および液相における誘電性効力および電気伝導性効力と、電気流体力学的誘因による流れ場の関係について流速分布測定値を含む実験結果に基づいたフォースバランス等の解析を実施した。

特に、気体と液体の界面における流れ場の過渡現象解析は電気流体力学効果を具体化する目標から極めて重要であることから、定常領域と非定常領域における数値電界解析のモデリングを行った。本研究において参照した実験は、円柱状容器に導電率の異なる液体を満たし、その液面から5mm上方の気相に針状放電電極を配置した気液2相層状流場を評価モデルとした。このモデルは前年度に定常状態の解析のために製作したものを使用した。まず、気体側から気液界面および液体内部へ進展するパルス性状のイオン流を定量化するため、磁気プローブを適用して気相および液相における誘電的特性および電気伝導特性の測定を実施した。その結果、液体の導電率が電気流体力学効果に大きな影響を及ぼすこと、さらに気液界面におけるイオン流の進展を制御していることを確認することができた。次に、実験より得た結果を考慮しながら数値電界解析を実施した。本年度の研究活動においては、計画通り実験結果に整合するイオン流の数値解析および定量的な評価の方法、ならびにコンピュータシミュレーションのための流速と電気的駆動力の解析について具体的な知見を得ることができた。工学平成24年度の達成目標は、まずレーザー誘起燐光の可視化技術を活用することで、特定な分子の燐光を時間的かつ空間的に微小な時間で追跡するMolecular Tagging Velocimetryシステムの主要構築を完了し、次に科学研究費の公布が開始された時点で流れの可視化実験による現象の定量化を行い、数値電界解析および数値流体解析のモデリングに着手することであった。コンピュータシミュレーションのためのモデリングについては、実験によるイオン流評価が順調に進んでいることから、予定通り定常状態の評価対象を用いた数値電界解析およびモデリングの具体化が達成できた。また、数値流体解析のモデリングについては、実験による評価値および数値電界解析による評価値を互いに検討しながら流体駆動力を考察できる状況となった。平成25年度の達成目標は、本現象の電気流体力学的効果の特徴が誘電性効力よりも電気伝導性効力が実質的に強いことが判明したことから、新たに液相の導電率をパラメータとした実験モデルを用いて電気的駆動力を検討する段階へ進展させることであった。その評価においては、まず実験に対して製作した磁気プローブにより気相および液相の電気伝導特性の定量化が達成できた。次に、予定通り数値電界解析およびモデリングに対しては、実験結果に整合するイオン流の数値解析および定量的な評価方法を具体化できる状況となった。本年度の達成目標は,まずレーザー誘起燐光の可視化技術を活用することで、特定な分子の燐光を時間的かつ空間的に微小な時間で追跡するMolecular Tagging Velocimetryシステムの主要構築を完了し,次に科学研究費の公布が開始された時点で流れの可視化実験による現象の定量化を行い、数値電界解析および数値流体解析のモデリングに着手することであった。コンピュータシミュレーションのためのモデリングについては、実験によるイオン流評価が順調に進んでいることから、予定通り評価対象を用いた数値電界解析およびモデリングの具体化が達成できた。また、数値流体解析のモデリングについては、実験による評価値および数値電界解析による評価値を互いに検討しながら流体駆動力を考察できる状況である。
死海沿岸地域の農地における水資源ポートフォリオ

2014年度から2017年度の4年間をかけ、底部取水型取水工、貯水池、除塩プラント、受益地圃場からなる灌漑スキームのプロトタイプを、死海リサン半島に位置するヨルダン国ムタ大学試験農場に完成させた。これらの諸施設には、気象・水文自動観測装置、除塩プラントの熱力学系観測装置、土壌物理と作物成長の観測システムなどを整備して、データ収集を行った。2017年度からは、受益地圃場において、観測装置などから得られる情報をフィードバックすることによって点滴灌漑水路網を合理的に制御し、耐塩性かつ高付加価値のナツメヤシを栽培してきた。学術上の主な実績としては、除塩プラントの熱力学系モデルを構築し、パラメータ推定やモデル検証を実施し、国際学術誌に論文が受理された。また、除塩プラントから得られる淡水を点滴灌漑水路系に供給する貯留タンクの最適運用戦略に関しては、離散時間動的計画法の枠組みにおいて数理解析を行い、国際学術誌に論文が掲載された。その内容は、報酬関数の連続性に関して異なった2ケースを考え、価値関数の正則性を論じた上で時間周期解の一意存在性を検討し、数値計算の結果から誤差評価を行うものとなっている。さらに、本研究の成果は中東地域において学術的、実際的に極めて大きな意義を有することから、トルコ共和国コンヤ市で開催されたIGCC、ヨルダン王国ムタ大学で開催されたESACの両国際会議に、科学委員として参加し、招待講演を行った。また、九州大学IMI共同利用として企画した研究集会が採択され、主に時系列データのモデル化と解析について国際的、学際的な討議を行った。とくに、ナツメヤシの生育を目的とした塩水と淡水の最適ポートフォリオ、灌漑用貯水池における洪水制御などについて、学術的に顕著な進展があった。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、死海沿岸地域、とくにヨルダンに帰属するリサン半島を対象とし、再生可能水資源の新規開発手法を提示した上で既存水資源と併せて動態の数理モデル化を行い、最適水資源ポートフォリオを導出して有効性を実証することを目的としている。初年度である2014年度には、実証試験を実施するための施設を、リサン半島に位置するムタ大学試験農場に構築することに集中した。まず、荒野から流出する洪水を収集する底部取水型取水工ならびに貯水工を、数値実験と水理模型実験にもとづいて設計、施工した。数値実験は、すでに開発済みの2次元浅水方程式に対する有限体積法モデルを用いて行った。水理模型実験は、京都大学総合農業水利実験場(舞鶴市)に水平幾何縮尺1/8、粗度縮尺1/1の歪み模型を建設し、舞鶴湾から海水を揚水して行った。施工は、地元の小規模な建設会社に請け負わせ、おおむね設計どおりに完成したが、細部に変更が生じたため再度数値実験を行って性能を検証した。この一連の過程は、2015年度に開催される国際水圏環境学会世界大会(オランダ)にて口頭発表することとなった。また、気象・水文自動観測装置をこの取水施設上に設置し,順調にデータを計測中である。一方、実際にこの施設において収集された水は、海水に近い塩分濃度を有することが明らかとなった。そこで、淡水を得るための除塩プラントを設置することを検討した。除塩プラントは、ビニールハウスを改造した新規的なものであり、総合農業水利研究実験場での予備実験ならびに現地での仮設置において十分な性能を確認した。2015年度前半に完成し,必要に応じて改良,増設していく予定である。以上の状況を踏まえ、現象を記述する確率過程モデルならびにそれに対する最適水資源ポートフォリオについての理論的、数値的研究を行い、国内の学会にて口頭発表を行った。また、国際誌に論文が掲載予定となった。初年度である2014年度に、実証試験を実施するための施設を、リサン半島に位置するムタ大学試験農場に構築した。すなわち、荒野から流出する洪水を収集する底部取水型取水工ならびに貯水工を、数値実験と水理模型実験にもとづいて設計、施工した。また、この取水施設上に、気象・水文自動観測装置を設置,運用中である。2015年度には、この施設において収集される塩分濃度の高い水から淡水を得るため、除塩プラントを構築した。この除塩プラントは、ビニールハウスを改造し、撥水布を活用した新規的なものであり、改良を加えながら運用している。なお、この除塩プラントに関する詳細な研究は、日本学術振興会「外国人招へい研究者(長期)」事業において行った。このように、再生可能水資源の新規開発手法を実際に構築するところまでが2015年度に達成された。よって、「貯水工の塩水と除塩プラントの淡水、さらには既存の地下水資源を灌漑目的に利用する場合、どのような水資源ポートフォリオが最適となるか?」という本研究の主課題が定式化された。そこで、その実証を行うため、塩分に対して特殊な応答を示すMesembryanthemum crystallinum(アイスプラント)を用いた実際の作物栽培試験に着手した。

また、水、塩分、土壌、作物間の相互作用に関する理解とモデル化を深化させるため、ベルギー王国リエジュ大学の協力のもと、精密な実験と解析に着手した。以上の研究実績に関しては、国際研究集会における口頭発表とポスター発表を行った。また、国際誌に論文が掲載、もしくは掲載予定となった。底部取水型取水工、貯水工、除塩プラント、受益地圃場からなる灌漑スキームが、死海リサン半島に位置するヨルダン国ムタ大学試験農場に完成し、試験的な運用を開始した。センサーやロガーを設置してデータを取得しつつ、M. crystallinumを中心とした作物栽培試験をすすめている。とくに、酷暑期における地域環境の実態把握、とくに貯水工における蒸発量の定量的評価に成功し、年間の栽培・灌漑計画の大枠を定めることができた。すなわち、構築した灌漑スキームと、冷涼な高地に位置し深層地下水を水源とするムタ大学農学部ラッバ農場との間で作物を輸送することにより、播種、育苗から採種に至るまでの栽培サイクルを年2回実施することが可能となることが判明した。このように、実証試験を実施するための基盤整備の面からは、当初の計画以上の進捗状況である。最適水資源ポートフォリオを導出するための数理モデル、とくに支配方程式であるHJB方程式に関しても、おおむね順調な進展がみられた。具体的には、(1)得られた観測データからモデルパラメータ推定を行う手法の確立、(2)水源枯渇時にも作物栽培を継続する場合に対するモデルの拡張、(3)その場合に対応した数値計算スキームの開発に成功した。さらに、HJB方程式に対する粘性解の概念を用いることによって、解の一意存在性証明や数値解による近似に関する議論を厳密に行えることが明らかになってきた。単純な場合に関して研究協力者の大学院生が口頭発表を行い、日本雨水資源化システム学会優秀発表賞を受賞した。一方、水、塩分、土壌、作物間の相互作用に関しては、主に実験的手法による研究をすすめてきた。とくに、リエジュ大学の協力を仰ぎ、電気比抵抗トモグラフィ(ERT)装置を用いた土壌水分時空間分布計測を開始し、土中の水分と塩分がM. crystallinumとどのような相互作用を行うかを調べている。本研究は、ヨルダン王国ムタ大学と協力し、死海沿岸地域における再生可能水資源の新規開発手法を提示した上で既存水資源と併せて動態の数理モデル化を行い、最適水資源ポートフォリオを導出して有効性を実証することを目的としている。研究開始の2014年度から2015年度までに、実証試験を実施するための施設を、リサン半島に位置するムタ大学試験農場に構築した。すなわち、荒野から流出する洪水を収集する底部取水型取水工ならびに貯水池を、数値実験と水理模型実験にもとづいて設計、施工した。また、この施設において収集される塩分濃度の高い水から淡水を得るため、ビニールハウスを改造して撥水布を活用した除塩プラントを構築した。これらに、気象・水文自動観測装置をはじめとした各種機器を設置して、データ収集を継続している。2016年度には、付加価値の高いナツメヤシ品種の苗木を植樹し、土壌の水分と塩分を3次元的に観測する機器を新たに整備した。また、貯水池からの蒸発損失を抜本的に低減させるべく改造を行った。この灌漑スキーム全体に対する最適運用戦略を、支配方程式であるHJB方程式の数値解より導出し、実装した。
大学評価に適用可能なキャンパスの環境デザイン評価とリ・デザイン手法に関する研究

1)国内大学のサステイナブルキャンパス評価(ASSC)結果のデータ分析を行ない、これにキャンパス環境デザイン(CED)の指標を加えることで、新たなキャンパス環境デザイン評価システム(CSDES)を構築するための研究を行い、一定の成果を得た。2)サステイナブルキャンパスに関連する海外大学とのネットワークを通じて、キャンパス環境デザイン評価システム(CSDES)の有効性を明らかにした。3)キャンパス環境デザイン(CED)が大学評価の中に組込まれることの重要性を、日本学術会議の2017年9月29日提言「わが国の大学等キャンパスデザインとその整備システムの改善にむけて」に組み込むことができた。1)タイムス世界大学ランキング評価2015-2016によるTOP100大学の内、今年度は先進的に環境負荷低減を目指しているスイスとドイツの大学に着目し、大学の規模・立地条件(都市型・郊外型等)・目的(文系・理系・総合等)・調査のしやすさなどに応じて、スイス連邦工科大学ローザンヌ校EPFL(郊外型・全体34位・工学12位)、バーゼル大学(都市型・全体101位・生命科学91位)、フライブルク大学(都市型・84位・人文科学56位)を調査対象大学とした。調査候補の中から2度目の調査となるEPFLを中心に、キャンパスの空間タイプ・骨格・緑地状況・パブリックスペースの位置などを、同スケールのキャンパス配置図に記入し、空間デザイン評価のための定量的指標と定性的指標をリストアップしている。不足する情報は、研究協力者である、Philippe Vollichard氏(EPFL)から入手して完成度を高めていく予定である。2)本研究メンバーが参加している日本建築学会大学・地域デザイン小委員会、サステイナブルキャンパス推進協議会の連携協力を得て、国内主要大学の環境デザイン評価カルテを作成した。3)現地調査後、CED評価指標を定量的指標と定性的指標に分けて仮抽出し、レーダーチャート等での可視化を試みた。この結果と、作成した図面とを併せた、キャンパス環境デザイン評価のためのカルテを作成する予定である。1)計画調書では、今年度は北米の大学を中心に調査する予定であったが、ISCN(International Sustainable Campus Network)年次大会における情報交換によって、今年度はスイス・ドイツの大学調査を行ったほうが、効率的に情報収集が可能と判断し、北米の大学調査は、次年度以降に実施することとした。また、現地でのヒアリングと資料収集によって詳細情報が入手できたため、レーザー距離計を用いた計測は次年度以降に実施することとした。2)CED評価のための定量的・定性的指標およびカルテの作成作業は、日本建築学会大学・地域デザイン小委員会、サステイナブルキャンパス推進協議会の連携協力が得られたため、順調に進めることができた。1)昨年度作成した評価カルテを比較分析し、LEED-ND等の評価ツールも参照して、キャンパス環境デザイン(CED)評価指標の精度を上げる作業を行った。3)本研究メンバーが参加している日本建築学会大学・地域デザイン小委員会、サステイナブルキャンパス推進協議会(CAS-Net JAPAN)の連携協力を得て、国内大学のサステイナブルキャンパス評価(ASSC)結果のデータ分析を行ない、本研究が目指すキャンパス環境デザイン(CED)評価システムとのデータ連係手法の検討を行なうと共に、レーダーチャート項目の検討を行った。4)中国・山東交通大学で開催されたACCS(Asian Conference on Campus Sustainability )の第2回国際会議において、研究代表者が街づくりにおけるキャンパスデザイン評価についての発表を行うとともに、Hongwei Tan教授(同済大学)、Kim, Y. H.教授(韓国海洋大学)など日中韓のキャンパス計画者と評価に関する意見交換を行った。5)サステイナブルキャンパス推進協議会(CAS-Net JAPAN)の協力を得て、昨年度実施した仮評価で高い得点を獲得した、日本工業大学、電気通信大学、琉球大学の3校を訪問してヒアリング調査を実施し、評価システムの実効性を検証した。1)今年度は、本研究メンバーが毎年参加しているISCNの年次大会に参加したため、当初予定していた海外調査は来年度行うこととした。そのため、個別大学キャンパスの実測調査は若干遅れることになったが、それに代わってISCN幹事メンバーとの意見交換によって、海外大学の貴重なキャンパス計画マネジメント情報を収集することができたことは、大きな成果であった。2)国内大学の情報収集とインタビューを行なうことができ、今年度の目標であったレーダーチャート形式図表によるキャンパス環境デザイン(CED)評価ツールの大枠を設定することができた。3)ACCS(Asian Conference on Campus Sustainability )の第2回国際会議において日中韓3国におけるキャンパスデザイン評価システムへの取組状況に関する意見交換ができ、アジアにおける研究ネットワークをつくることができた。3)本研究メンバーが参加している日本建築学会企画戦略小委員会キャンパス・地域再生WG、サステイナブルキャンパス推進協議会(CAS-Net JAPAN)の連携協力を得て、国内大学のサステイナブルキャンパス評価(ASSC)結果のデータ分析を行ない、本研究が目指すキャンパス環境デザイン(CED)評価システムとのデータ連係手法の検討を行なうと共に、レーダーチャート項目の検討を行った。4)京都大学で開催されたACCS(Asian Conference on Campus Sustainability )の第3回国際会議において、中国、韓国、タイと日本によるキャンパスデザイン評価に関する意見交換を行ない、アジアにおけるキャンパス評価ネットワーク実現の筋道をつけた。

5)イランのフェルドゥシ大学で開催された1st International Conference on Green Universityにおいて、研究代表者がキャンパスと地域の連携ならびにキャンパス評価についての講演を行い、イラン国内におけるキャンパス評価システム構築にあたっての助言を行った。1)国内大学のサステイナブルキャンパス評価(ASSC)結果のデータ分析を行ない、これにキャンパス環境デザイン(CED)の指標を加えることで、新たなキャンパス環境デザイン評価システム(CSDES)を構築するための研究を行い、一定の成果を得た。2)サステイナブルキャンパスに関連する海外大学とのネットワークを通じて、キャンパス環境デザイン評価システム(CSDES)の有効性を明らかにした。3)キャンパス環境デザイン(CED)が大学評価の中に組込まれることの重要性を、日本学術会議の2017年9月29日提言「わが国の大学等キャンパスデザインとその整備システムの改善にむけて」に組み込むことができた。1キャンパスの環境デザイン(CED)に着目し、グローバル化、イノベーション創出、地(知)の拠点化を目指す我が国の大学にとって、CEDが重要な大学評価項目であることを、海外大学のキャンパス空間と成果(教育・研究・地域貢献等)の分析を通じて明らかにする。2CEDを評価項目とする際の、定量的・定性的な環境デザイン評価指標を明らかにし、大学評価に寄与するCED評価ツールを提示する。3CED評価ツールと、申請者らが開発したSC評価ツールを統合し、既存大学キャンパスを創造的に再生するためのリ・デザイン手法を提案するとともに、大学評価基準に適用可能なキャンパスの評価指標を提示する。という3つの研究目的を達成するため、今年度の成果を元に、次年度以降の以下の手順で、定量的指標と定性的指標の相関関係を明らかにし、評価ツールの設計と、既存キャンパスの試験評価を行う。1)作成した評価カルテを比較分析し、LEED-ND等の評価ツールも参照して、CED評価指標の精度を上げる作業を行う。平成28年10月に同済大学で開催予定の第2回Asian Conference for Campus Sustainabilityで研究成果の中間報告行ない、各国のキャンパス計画関係者と意見交換を実施する予定である。2)1)の成果をもとに、評価指標に基づいた質問形式のチェックリストによる点数評価(MS Excel使用)と、それに連動するレーダーチャート形式図表、による総合評価CED評価ツールを作成する。点数評価シートは、図面上の個別データとリンクする仕組みを作り、一部の入力作業の効率化を図る。最終的に海外及び国内の大学キャンパス30校程度のCED評価を実施する予定。
知識・技能を活用する力を育成するための授業改善の阻害要因・促進要因の研究

主体的・対話的で深い学びの授業を実践した教師は,「周囲と対話し,検証,考察することに楽しさや重要性を見いだしている生徒がいたことから,このような授業を実践することで,資質・能力の育成に繋がると考える。」「今回はモデル実験を通して理解が深まったと答える生徒が多かったので,これから積極的に授業に取り入れていきたいと思った。」など,主体的・対話的で深い学びを実現した授業を行い生徒の反応を体験することは促進要因であるといえる。「モデル実験にしろ,授業者が1人でアイディアを出し実践することは大変難しい」と回答していたことから,授業研究に協働で取り組むため理科教員同士の繋がりを構築することが大切である。H27学力調査報告書に示した授業改善のための「授業アイディア例」は、「どうしたらよいか」という処方的なものである。まずは、この処方的な「授業アイディア例」を研究協力校の理科の教員に実践させて、生徒の「活用」の枠組みの正答率が上昇するかどうかを量的に調査することで、報告書に示した「授業アイディア例」の有効性を検証した。その結果、事前より事後の調査において生徒の理科の授業に対する意識が高まる教育効果が得られた。また、「活用」の枠組みの適用、構想、検討・改善の全設問の課題に対する改善の阻害要因と促進要因を明らかにするために、H28.8/22、24に早島教育委員会で実施した教員研修での教員に対する「主体的で対話的で深い学び」に関する意識調査とインタビューの結果を分析して授業改善を阻害する要因と促進する要因を抽出した。H28.10/13西尾市教育委員会、10/19山口県教育委員会、11/1516沖縄県教育委員会、11/22青森県教育委員会、12/1栃木県那須塩原地区中学校教育研究会理科部会での教員研修の際の意識調査も実施して、授業改善を阻害する要因と促進する要因を抽出した。H28.12/9に倉敷市立福田中学校で活用型の授業デザインの実証授業を行い、ボイスレコーダーで教師の発話を録音し、その録音データを音声入力ソフトでテキスト化するシステムの構築を行った。年度初めの研究計画では、実証授業における教師の発話を音声入力し、その音声データをもとにテキスト化して発話プロトコルを起こした後、テキストマイニングソフトウエアでキーワードの出現個数を可視化することであった。発話プロトコルを起こし、発話プロトコルの分析までは行った。テキストマイニングソフトウエアを利用しての分析結果の可視化については検討中である。H28年度に引き続き、文部科学省が実施した「平成27年度全国学力・学習状況調査」について、国立教育政策研究所が示した「平成27年度全国学力・学習状況調査報告書中学校理科」に示した授業改善のための「授業アイディア例」を、研究協力校の愛知県西尾市立平坂中学校の教師の発話分析と授業後のヒアリングを行い、授業改善を阻害する要因と促進する要因を抽出した。新しい学習指導要領が目指す、主体的・対話的で深い学びを実現した資質・能力の育成については、義務教育の学校現場では従前から活動的な授業が展開されているが、高等学校においては十分ではない。そこで、平成29年度は高等学校で実証研究を進めるために青森県立青森南高等学校、青森県立田名部高等学校でも教師の発話分析と授業後のヒアリングを行い、授業改善を阻害する要因と促進する要因を抽出した。その結果、阻害要因としては、進学保障のための受験指導の内容が知識習得型であることが大きいといえる。また、促進要因としては、主体的・対話的で深い学びの授業を実践した教師は、「周囲と対話し、検証、考察することに楽しさや重要性を見いだしている生徒がいたことから、このような授業を実践することで、資質・能力の育成に繋がると考える。」、「今回はモデル実験を通して理解が深まったと答える生徒が多かったので、これから積極的に授業に取り入れていきたいと思った。」、「モデル実験にしろ、授業者が1人でアイディアを出し実践することは大変難しいと思う。学校内外にとらわれず、理科教員同士が繋がりを持ち、共に教材を開発していくことができたらと思う。」と回答していたことから、高等学校の理科の授業に科学的に探究するための観察・実験を取り入れた授業を開発するための理科教員同士が繋がりを構築することが重要であることが示唆された。H29年3月に配布した「全国学力・学習状況調査の調査結果を踏まえた理科の学習指導の改善・充実に関する指導事例集」の事例を68月に教員研修を実施して、教員に対する意識調査とインタビューを実施し、授業改善を阻害する要因と促進する要因を抽出する。また、八重山教育事務所を研究協力に委嘱し、管轄の中学校の理科の授業の教師の発話を音声記録したデータからテキスト化して、授業者自身が発話分析を行えるシステムを設計して、授業者自身が省察する実証実験を9月までに複数行い、効果を測定する。

理科教育学教員の発話に対して、主要な単語とその種別を示す「キーワード情報」として、教員による働きかけである「質問」「発問」「情報提示」「指示」と、教員の生徒へのフィードバックである「肯定」「促し」「否定」「再誘発」「許可」「復唱」「返事」を解析結果として抽出する機能をプログラムしたシステムの開発を企業に委託業務する予定であったが、予算内での委託が困難であったため。開発するシステムの仕様の見直しを行い、予算内でのシステムの開発を計画する。
高分子の協同効果を利用した不斉増殖系の構築

高分子の二次構造に起因する「場のキラリティー」が不斉伝搬・増殖の過程で重要な位置を占めているのではないかという考えを基に、本研究ではこのような「場のキラリティー」を不斉源とした新たな不斉反応系の構築を目指している。本年度は、溶液中で安定ならせん構造を形成するポリイソシアニドを中心に検討を行った。1.主鎖構造の選択キラルモノマーとしてメントキシカルボニルフェニルイソシアニドを合成し、重合することにより安定ならせん構造を有するポリイソシアニドを得た。次に、対掌体であるd体とl体のモノマーを、比率を変えて重合させたところ、ジプロック共重合体ではモノマーのエナンチオマー過剰率(ee)の増大に伴って円二色性が直線的に増加するのに対して、ランダム共重合体ではeeに対して非線形的な挙動を示し、約60%eeで100%eeとほぼ同等のピーク強度を示すことを確認した。2.モノマーの設計・合成触媒反応部位として金属錯体を用いることを想定し、配位子となるビピリジンおよびフェナントロリン部位を有するイソシアニドモノマーを設計、合成した。これらのモノマーは開始剤としてμ-エチンジイル白金-パラジウム二核錯体を用いたリビング重合においても良好なリビング性を維持しており、配位子置換反応などの副反応の影響は小さいことが判った。今後、これらの触媒反応部位を導入したらせん高分子を合成し、種々の不斉反応系に適用する予定である。3.外部刺激によるらせん構造制御光感応性ユニットとしてアゾベンゼンを、酸化還元ユニットとしてニトロフェニル基を導入したポリイソシアニドを合成し、それぞれについて刺激応答性について検討した。その結果、いずれの場合にもシークエンス特異的な反応性の差が観察され、特にランダム共重合体では、らせん構造に起因する円二色性が反応に伴って可逆的に変化することが判った。
シュリンクフィッターを用いた超小型ポリゴンミラーの接合に関する基礎的研究

本研究の目的は、申請者が考案したシュリンクフィッターを用いて、次期超小型ポリゴンミラーをセラミックス空気動圧軸受へ接合する技術を確立することである。次期超小型ポリゴンミラーは現行技術で接合することができないほどサイズが小さく、しかも温度変化の影響を敏感に受ける。本研究の接合方法を用いれば現行接合技術よりも簡便にしかも高精度・高信頼性を保証して接合することができる。さて,ポリゴンミラーはアルミ製であり,一方空気軸受けはSiC製である.したがって,シュリンクフィッター材にはかなり大きな熱膨脹係数が要求される.そこで,ポリイミドを用いた.強度だけから見た場合,シュリンクフィッターのスリット数は3以上であればよいことが分かっている.しかし,ポリゴンミラーの形状を考えて,そのスリット数は8とした.本接合法の特徴は従来法のものに比べてネジ止め部がないため,加工が大幅に簡略化されるということである.また,モータの発熱によりポリゴンミラーの温度が上昇し,熱膨張によりミラー内径が大きくなっても,シュリンクフィッターはそれ以上熱膨張するため弛みを生じないことである.実際に,組立を行なって確認したところ,使用中の面精度は保たれることが判明した.さらに、従来法に比べてジッタ特性やトラッキング特性も本接合法の方が優れていることが分かった.数値計算(三次元有限要素解析)により,最適設計のための検討を行った.シメシロの不均一は,ミラーの平面度には余り影響を与えないことが分かった.すなわち,ミラー平面の平面度は100nmと超精密級レベルであるが,接合面の加工精度はそこまで超精密さを要求されないということであり,本接合法のための加工条件はある程度ラフでよいことを示している.また,本接合法を用いても,従来と同様に接合後のミラー面の再加工は必要であった.接合前後で,ミラーの平面度が変化しないシメシロの条件が存在するか調べたが,単にシメシロを調整するだけでは不可能であることが判明した.今後の課題は,この問題を解決するための方法を考え,本接合法のさらなる簡便化を図ることである.本研究の目的は、申請者が考案したシュリンクフィッターを用いて、次期超小型ポリゴンミラーをセラミックス空気動圧軸受へ接合する技術を確立することである。さて,ポリゴンミラーはアルミ製であり,一方空気軸受けはSiC製である.したがって,シュリンクフィッター材にはかなり大きな熱膨脹係数が要求される.そこで,ポリイミドを用いた.強度だけから見た場合,シュリンクフィッターのスリット数は3以上であればよいことが分かっている.しかし,ポリゴンミラーの形状を考えて,そのスリット数は8とした.本接合法の特徴は従来法のものに比べてネジ止め部がないため,加工が大幅に簡略化されるということである.また,モータの発熱によりポリゴンミラーの温度が上昇し,熱膨張によりミラー内径が大きくなっても,シュリンクフィッターはそれ以上熱膨張するため弛みを生じないことである.実際に,組立を行なって確認したところ,使用中の面精度は保たれることが判明した.さらに、従来法に比べてジッタ特性やトラッキング特性も本接合法の方が優れていることが分かった.数値計算(三次元有限要素解析)により,最適設計のための検討を行った.シメシロの不均一は,ミラーの平面度には余り影響を与えないことが分かった.すなわち,ミラー平面の平面度は100nmと超精密級レベルであるが,接合面の加工精度はそこまで超精密さを要求されないということであり,本接合法のための加工条件はある程度ラフでよいことを示している.また,本接合法を用いても,従来と同様に接合後のミラー面の再加工は必要であった.接合前後で,ミラーの平面度が変化しないシメシロの条件が存在するか調べたが,単にシメシロを調整するだけでは不可能であることが判明した.今後の課題は,この問題を解決するための方法を考え,本接合法のさらなる簡便化を図ることである.
チベット空気シャワー観測装置による宇宙線加速と高エネルギーガンマ線放射天体の研究

米国のミラグロ実験が6TeVにおいて報告した、2000年から2007年にわたるloss-cone(赤経150°から240°に広がる宇宙線強度欠損の領域)の振幅の増加を、チベット空気シャワーアレイのデータを用いて検証し、論文として発表した("Is the large-scale sidereal anisotropy of the galactic cosmic-rayintensity reallyinstable at TeV energies?"Astroparticle Physics,36(2012)237-241)。4.4TeV、6.2TeV、12TeVのエネルギーにおいて、該当する期間には10ss-cone振幅は安定しているという結果を得た。この結果は6σ以上の信頼度でミラグロ実験の結果と矛盾するものであった。ミラグロ実験はloss-cone振幅の増加を太陽活動によるものかもしれないと主張しているが、はるかに太陽活動の影響を受けやすいsub-TeV領域の観測でもloss-cone振幅の有意な増加は見られていない事が松代地下ミューオン観測装置によって示されている。プロトタイプMDのデータ解析を行い、上記のシミュレーションが実験データと良く一致していることを確認した。またかに星雲からのガンマ線フラックスに対して100TeV-200TeVで最も厳しい上限値を得た。2013年中にこの結果を論文として投稿予定である。1997年から2009年までの期間においてチベット空気シャワーアレイを用いて3TeV領域で観測された太陽の影について、日本物理学会2012年秋季大会およびSTE研究集会にて報告した。影の深さと影中心の太陽視位置からのずれは、太陽活動に依存して変化することから、太陽の影の連続観測から太陽コロナ磁場構造についての知見を得ることができる。これまでチベット実験では10TeVで太陽の影の観測を行ってきた。その結果、CSSS(Current Sheet Source Surface)モデルと呼ばれる太陽コロナ磁場構造モデルが測定結果を良く再現することが分かっている。3TeVで得られた結果もCSSSモデルで再現されるか調べることが今後の課題である。平成24年度の大部分の期間、チベット自治区の治安悪化のため外国人の入境が禁止されたため。また、外国人空気シャワーアレイの位置するチベット羊八井高原(標高4300m)の環境は日本とは全く異なるものであり、大面積の地下水槽の完成に予想以上の時間と労力を要しているため。約4500m^2のミューオン観測装置が平成25年中に稼働開始予定である。データ取得および装置のメンテナンスと並行して新たなデータ解析手法を確立していく。また、実験データから天体のフラックスなどを導出する際には大量の空気シャワーシミュレーションが必要である。空気シャワーアレイの検出器シミュレーションは既に確立されているが、ミューオン観測装置の検出器シミュレーションは高速化の余地があるので、必要に応じてプログラムコードの改良も行う予定である。チベット空気シャワーアレイは、中国チベット自治区ヤンパーチン高原(海抜4300m)に位置する約800台の0.5平米シンチレーションカウンターを7.5m間隔で並べた有効面積37000平米の空気シャワーアレイであり、宇宙線(陽子やヘリウム等の原子核)およびガンマ線を広視野で連続観測している。現在我々のグループでは、チベット空気シャワーアレイの100TeV領域宇宙ガンマ線に対する感度を向上させるため、総面積1万平米の地下水チェレンコフミューオン観測装置を計画している。本年度、ミューオン観測装置の三分の一の建設がほぼ終了した。研究者は延べ約4ヶ月半現地に滞在し、グループ内の他の研究者とともにMDの建設に携わった。ミューオン検出器は現存する空気シャワーアレイの地下2.5mに建設するため、着工前に地表のシンチレーション検出器及びケーブルの撤去を行う必要があった。5月中旬から一ヶ月半の滞在で、研究者を含む計10名が協力してこの作業を行なった。その後7月上旬にミューオン観測装置の着工を開始した。実際の建設は中国の建設会社に委託したが、研究者を含む数人が交代で現地に滞在して建設作業の監督および指示を行なった。研究者は9月下旬から11月中旬までの期間、本年度に予定されていた建設の途中から最後にかけて、この監督作業に従事した。その後約一カ月の間、研究者を含む計7名が協力して、ミューオン観測装置内のセンサーの設置などの作業を行ない、研究者は12月中旬に帰国した。三分の一スケールのミューオン観測装置の建設は終了したが、観測開始は2011年度の夏を予定している。それまでの間に、水槽内への水の注入やデータ取得システムの整備などを行なう。また、前年度までに行なった宇宙線の異方性に関する研究成果を、国際会議ECRS2010にて口頭発表した。さらに、この研究成果に対して日本物理学会の第5回若手奨励賞が授与された。2010年度にミューオン観測装置の三分の一の建設がほぼ終了しており、本年度夏の観測開始を目標としていた。研究者は5月末から7月初めにかけて現地に滞在し、グループ内の他の研究者5名とともにミューオン観測装置内

センサーの取り付けや、地表のシンチレーション検出器の再配置に携わった。これらの作業は順調に進んだが、諸事情によりミューオン観測装置への水の注入がすぐにはできない状況となり、本年度中の観測開始を断念せざるを得なくなった。2012年度早期の観測開始を目指している。2007年9月にチベット空気シャワーアレイの南西の端に100平米のプロトタイプミューオン観測装置を建設し、2010年3月までデータを取得した。このデータから得られる空気シャワー中のミューオン数と、空気シャワーアレイから得られるシャワーの横広がりなどのパラメータを用いてバックグラウンド宇宙線を除去することで、TeVガンマ線に対する感度がどのくらい向上するかを調べた。その結果、10TeV-100TeVで1.2倍-1.7倍の感度向上が見込めることが分かった。前年度までに行なった宇宙線の異方性に関する研究成果を、国際会議ICRC2011にて口頭発表した。この研究成果に対して日本物理学会第5回若手奨励賞が授与され、弘前大学にて開催された日本物理学会秋季大会で招待講演を行なった。米国のミラグロ実験が6TeVにおいて報告した、2000年から2007年にわたるloss-cone(赤経150°から240°に広がる宇宙線強度欠損の領域)の振幅の増加を、チベット空気シャワーアレイのデータを用いて検証し、論文として発表した("Is the large-scale sidereal anisotropy of the galactic cosmic-rayintensity reallyinstable at TeV energies?"Astroparticle Physics,36(2012)237-241)。4.4TeV、6.2TeV、12TeVのエネルギーにおいて、該当する期間には10ss-cone振幅は安定しているという結果を得た。この結果は6σ以上の信頼度でミラグロ実験の結果と矛盾するものであった。ミラグロ実験はloss-cone振幅の増加を太陽活動によるものかもしれないと主張しているが、はるかに太陽活動の影響を受けやすいsub-TeV領域の観測でもloss-cone振幅の有意な増加は見られていない事が松代地下ミューオン観測装置によって示されている。プロトタイプMDのデータ解析を行い、上記のシミュレーションが実験データと良く一致していることを確認した。またかに星雲からのガンマ線フラックスに対して100TeV-200TeVで最も厳しい上限値を得た。2013年中にこの結果を論文として投稿予定である。1997年から2009年までの期間においてチベット空気シャワーアレイを用いて3TeV領域で観測された太陽の影について、日本物理学会2012年秋季大会およびSTE研究集会にて報告した。影の深さと影中心の太陽視位置からのずれは、太陽活動に依存して変化することから、太陽の影の連続観測から太陽コロナ磁場構造についての知見を得ることができる。