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雷がもたらす強力なガンマ線フラッシュ 地上での放射線量の測定に初めて成功

掲載日:2019年8月8日

地球ガンマ線フラッシュがもたらす地上での放射線量
東京電力柏崎刈羽原子力発電所に設置されている9台のモニタリングポスト・高線量計で計測された地上での放射線量。高い放射線量が測定された周辺で地球ガンマ線フラッシュが発生したと推定される。国土地理院地図を用いて作成。
© 2019 和田有希

東京大学大学院理学系研究科和田有希博士課程学生、京都大学白眉センター榎戸輝揚特定准教授、名古屋大学素粒子宇宙起源研究機構中澤知洋准教授、東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構牧島一夫上級科学研究員 (東京大学名誉教授) らの研究グループは、雷放電に伴って放出された瞬間的で強力なガンマ線フラッシュを、新潟県柏崎市で運用している複数の放射線検出器で測定することに成功しました。本成果は米国物理学会の速報誌Physical Review Lettersに8月7日 (日本時間) オンライン掲載されました。

雷から発せられる強力なガンマ線は1990年代より観測されており、「地球ガンマ線フラッシュ」と呼ばれています。これまで地球ガンマ線フラッシュは、そのほとんどが地球を周回する人工衛星によって観測されており、雷雲から上空へ向かって「上向き」に放出されるものと考えられてきました。一方で近年の観測では雷雲から地上へ向かって放出される「下向き」の地球ガンマ線フラッシュも見つかってきました。しかし、下向きの地球ガンマ線フラッシュではガンマ線が発せられる場所から検出器までの距離が近いためガンマ線の強度が大きく、通常のガンマ線検出器では地上での放射線量を正確に測ることは困難でした。

2017年11月24日、新潟県柏崎市の東京電力柏崎刈羽原子力発電所に研究チームが設置しているガンマ線検出器が、雷放電と同時に下向きの地球ガンマ線フラッシュの兆候を捉えました。同時に、東京電力が設置している複数のモニタリングポストの高線量計が反応し、地球ガンマ線フラッシュの発生を確認しました。地上に到達したガンマ線の量は研究グループの検出器の測定範囲を大きく超えるものでしたが、モニタリングポストの高線量計の測定可能範囲内であり、初めて地上での放射線量を測定することに成功しました。シミュレーションと観測データを比較することで、発電所の上空2500メートルで雷によって電子が下向きに加速され、その制動放射ガンマ線が地上に届いていることが明らかとなりました。

地球ガンマ線フラッシュは数百マイクロ秒という極めて短い時間に電子を加速させることで、大量のガンマ線を発生させる現象です。しかし、大気中で大量の電子をどのように加速させるかなど、その発生メカニズムには多くの謎が残されています。従来の人工衛星による観測では、1-2台の衛星でしか観測できず、得られる情報が限られていました。今回、下向き地球ガンマ線フラッシュを地上で精密に測定できたことで、衛星観測と比べて複数の測定器を容易に設置できる地上観測で、地球ガンマ線フラッシュの研究を有利に進められることを示したものです。

今回の事象では、高線量計で測定した地上での放射線量は最大で1.4 マイクログレイであり、胸部X線レントゲンの0.1回分よりも少ない値であることから、人体への影響はないと考えられます。一方でガンマ線の発生点により近い上空では、地上よりも高い放射線量となることが懸念され、航空機で雷雲の中を飛行した際の被爆のリスクも考えられます。研究グループでは地球ガンマ線フラッシュの研究を通して上空における放射線量の推定も行い、被爆の可能性についても評価する予定です。

「複数の高線量計で計測した高品質なデータによって、地球ガンマ線フラッシュの正体を垣間見ることができ、とても興奮しています」と和田大学院生は話します。「今後は専用の検出器を開発し、地上からの観測をさらに発展させるとともに、フランスとの国際協力で2020年に打ち上げ予定の雷観測衛星Taranisも駆使し、地上と宇宙の両方向からガンマ線フラッシュの謎に取り組んでいきたいです」と続けます。 

論文情報

Y. Wada, T. Enoto, K. Nakazawa, Y. Furuta, T. Yuasa, Y. Nakamura, T. Morimoto, T. Matsumoto, K. Makishima, and H. Tsuchiya, "Downward terrestrial gamma-ray flash observed in winter thunderstorm," Physical Review Letters: 2019年8月7日, doi:10.1103/PhysRevLett.123.061103.
論文へのリンク (掲載誌別ウィンドウで開く)

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