多チャンネル電磁界検出器を用いた自動雷方位探知

特別研究報告
多チャンネル電磁界検出器を用いた
自動雷方位探知システムの開発
Development of automatic direction-finding system for lightning
events by using multi-channel electromagnetic field detectors
報告者
学籍番号：1185058
氏名：山﨑 博之
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
指導教員
山本 真行 教授
________________________________________________
平成 28 年 2 月 9 日
高知工科大学 大学院工学研究科
基盤工学専攻
知能機械システム工学コース
目次
第 1 章 序論 -----------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1 背景 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.2 目的 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------1
第 2 章 理論と検出手法 -------------------------------------------------------------------------------------3
2.1 雷とスプライトとの関係性 ---------------------------------------------------------------------------3
2.2 落雷に伴う電磁波とその伝播特性 ------------------------------------------------------------------4
2.3 落雷方位探知法 ------------------------------------------------------------------------------------------6
2.3.1 磁界型アンテナ ---------------------------------------------------------------------------------------6
2.3.2 三角比を用いた方位探知 ---------------------------------------------------------------------------7
2.3.3 二地点観測による落雷座標計算 ------------------------------------------------------------------7
2.3.4 製作した磁界型アンテナ ---------------------------------------------------------------------------8
2.3.5 製作した電界型アンテナ ---------------------------------------------------------------------------9
第 3 章 Raspberry Pi を用いた観測データ処理システム ---------------------------------------10
3.1 Raspberry Pi について ---------------------------------------------------------------------------------10
3.2 観測機器 --------------------------------------------------------------------------------------------------10
3.3 観測データ処理 -----------------------------------------------------------------------------------------12
第 4 章 雷電磁波の二地点観測 --------------------------------------------------------------------------15
4.1 高知工科大学での観測 --------------------------------------------------------------------------------15
4.2 高知県立芸西天文学習館での観測 -----------------------------------------------------------------16
第 5 章 評価と考察 ------------------------------------------------------------------------------------------18
5.1 落雷検出頻度 --------------------------------------------------------------------------------------------18
5.2 落雷方位探知精度 --------------------------------------------------------------------------------------19
5.2.1 夏季雷 -------------------------------------------------------------------------------------------------19
5.2.2 冬季雷 -------------------------------------------------------------------------------------------------22
5.3 落雷電磁波周波数 --------------------------------------------------------------------------------------25
5.4 二地点観測による落雷地点算出 --------------------------------------------------------------------27
5.5 検出範囲 --------------------------------------------------------------------------------------------------30
第 6 章 結論 ---------------------------------------------------------------------------------------------------32
謝辞 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------33
参考文献 --------------------------------------------------------------------------------------------------------34
第1章
序論
1.1 背景
著者の所属する宇宙地球探査システム研究室では地球高層大気中の高高度発光現象であ
るスプライトの観測的研究を行ってきた。スプライトとは地上および雲間の雷放電に伴い、
雷雲上はるか上空の中間圏（高度 50 km から 80 km）に稀に起こる高高度発光現象の一種で
あり、発光自体が長くても 100 ms 以下と極めて短時間であることから 1990 年まで存在が知
られていなかった。このスプライトを観測するために、高知工科大学は SSH（Super Science
High school）に指定された全国約 25 の高校と共同で 2006 年より高大連携での研究活動を行
っている。
同研究室では 2006 年から小型高感度 CCD ビデオカメラを使用してスプライト観測を行
ってきたが、スプライトは稀に発生する現象であるため観測数が尐なく研究室に設置して
いる小型カメラ(図 1.1)では年間数件の観測数に留まっている。スプライトは落雷に伴い発
生するといわれているため、観測数を増やすには雷雲上空にカメラを向ける必要があるが、
所属研究室含め SSH では、固定カメラによる一定方向の観測をしているため、画角外のス
プライトを取り逃がしている。また、スプライトは雷雲上空に発生するため、図 1.1 に示す
ように一般的には観測点から水平距離 200 km 程度離れていなければ観測することができな
い。遠距離の落雷発生方向を事前に知り、予めカメラをその方向へ向けることで観測数が
増えると考えられる。
図 1.1 観測風景(左) 観測可能距離(カメラ仰角 20°)(右)(出典[1])
1.2 目的
本研究ではスプライトの観測数を増やすために、直交ループアンテナと電界アンテナを
使い雷の発生に伴う電磁波を利用して遠雷の落雷方位を探知するシステムを開発する。A/D
変換器として Raspberry Pi を用いることでシステムの小型化と低コスト化を図り、電磁波の
１
雷波形データから落雷方位を算出し、スプライトの光学観測数増加を目指したシステムの
基礎を構築する。カメラの画角が 30°であるため、方位算出精度は±15°以内を目指す。
２
第2章
理論と検出手法
2.1 雷とスプライトとの関係性
落雷は大きく分けて 4 種類あり(図 2.1)、スプライトを伴う雷は正極性雷が多いことが知
られている。日本では冬季に北陸で正極性雷が高い頻度で起こっており、雷雲上部の正電
荷の消失によって中間圏に 2 次的に作り出された準正電場によって大気の絶縁破壊が起こ
り発光するモデルが考えられている[2]。冬季に北陸で正極性が多い理由としては、大陸か
らシベリア気団によって海上に雲が発生し、その雲が気流に乗って日本海を横断してくる
際に、冷たい季節風と本州沿岸を流れる対馬海流との温度差によって発生した豊富な水蒸
気を含むことで、100 m~数百 m の低空に雷雲を形成する。その後、雷雲が季節風で流され
横へ伸びることで山間部へぶつかり、雷雲上部の正電荷と地上の負電荷の電位差で正極性
落雷が発生する。これが北陸で正極性雷が多い理由である。日本海沿岸以外では、ノルウ
ェーの大西洋沿岸、スウェーデンの夏季雷、イスラエルの秋季雷、中国高原部の夏季雷に
限られた気象現象であり、世界的に見ても非常に珍しい気象現象である。しかし、正極性
雷よりも数は尐ないが、負極性雷であってもスプライトは発生しており、実際に高知工科
大学から負極性の多い夏季に撮影に成功している(図 2.2)。
図 2.1 対地雷の種類(出典 [3])
３
図 2.2 高知工科大学から撮影されたスプライト
2.2 落雷に伴う電磁波伝播とその特性
落雷時に発生する電磁波の周波数帯は数 Hz から数 GHz までと広帯域であり、高周波帯
はすぐに減衰してしまう。しかし、VLF(Very Low Frequency)帯である 3～30 kHz の電磁波は
地上と電離層間の導波管を長距離伝播し、その到達距離は 10,000 km にも上ることがある(図
2.3)[4]。電磁波の減衰は自由空間基本伝播損失の式により与えられる。式 2.1 より波長が長
い程減衰し、短い程減衰しにくいことが分かる。
L=(
4𝜋𝑑 2
) ・・・・・・・・・・・・・（式
𝜆
損失: L, 距離: d[m], 波長: λ[m]
４
2.1）
図 2.3 各周波数帯における伝播伝搬
また、落雷による電磁波が長距離伝播してきたときの周波数は5 kHz付近を中心とした電磁
波であることが分かっている(図 2.4)。そのため音波で言えば可聴帯域での観測が可能であ
ることが分かる。
図 2.4 雷の周波数範囲（出典 [5]）
５
2.3 落雷方位探知法
落雷方位を知るためには雷検出機器を 1 地点に配置する方法と、多地点に配置する方法が
ある。1 地点で観測するには落雷による電界と磁界変化を捉える必要があり、落雷地点から
の距離を求めるには直接波と電離層反射波を捉える必要がある。多地点による観測は、到
来電磁波中の磁界の方位を二地点以上で同時に観測し、それらの角度差から落雷位置を探
知する。これを MDF(Magnetic Direction Finder)法と呼ぶ。
2.3.1 磁界型アンテナ
落雷検知に使用する磁界型アンテナは導線をループ状に巻いたループアンテナを使用し、
ファラデーの電磁誘導の法則(式 2.2)により落雷による電磁波の磁界成分を捉え、これを 2
成分 1 対の直交ループアンテナにすることで全方位の磁界成分を検出する。
𝜕𝜑
V = −N 𝜕𝑡
起電力：V[V],
・・・・・・・・・・・・・・・・(式 2.2)
巻き数：N[回],
磁束密度変化： 𝜕𝜑⁄𝜕𝑡 [Wb/s]
落雷時に発生する磁束密度は落雷地点から距離が遠くなるほど減衰する。そのため遠方
の落雷を捉えるにはループアンテナのループ面積を大きくする必要がある。各距離におけ
る磁束密度の減衰は図 2.5 の通りである。
図 2.5 各距離における磁束密度減衰（出典:[6]による図を一部修正）
図 2.5 は落雷から 1 km,5 km,10 km,50 km 離れた地点における磁束密度の減衰を表してい
る。横軸は時間[μs]、縦軸は磁束密度[Wb/𝑚2 ]であり、数μsで磁束密度が変化し、距離に比
例して磁束密度が減尐していることが分かる。
６
2.3.2 三角比を用いた方位探知
南北ループアンテナと東西ループアンテナで捉えた波形を使い三角比を考える
図 2.6 三角比を用いた落雷方位計算
𝑉
sin 𝜃
図 2.6 より𝑉𝑁𝑆 = cos 𝜃、𝑉𝐸𝑊 = sin 𝜃より 𝑉𝐸𝑊 = cos 𝜃 = tan 𝜃となる。よって落雷方位算出式は
𝑁𝑆
次式となる。
𝐸−𝑊 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑎
θ = 𝑡𝑎𝑛−1 ( 𝑁−𝑆 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑎 )・・・・・・・・・・・・・(式 2.3)
2.3.3 二地点観測による落雷座標計算
二地点の観測点をそれぞれ A、B とし、そこで得られる電磁波到来角を𝜃𝑎 、𝜃𝑏 とし A 地
点 B 地点の距離をcとすると、落雷地点 C の座標は 2 つの直線 AC、BC より求めることが
できる。なお、落雷地点は地表として二次元平面で考え、電磁波は平面波として考える。
これを模式図で表すと図 2.7 になり、ここではy軸正方向は北、x軸正方向は東とする。
７
図 2.7 落雷座標
線分 BC を
y = −ax + b ・・・・・・・・・・・・・（式 2.4）
と表すと、傾きaと切片bは
a = tan 𝜃𝑏 , 𝑏 = 𝑐 tan 𝜃𝑏
よって（式 2.4）は
y = −(tan 𝜃𝑏 )𝑥 + 𝑐 tan 𝜃𝑏 ・・・・・・・・・・・・（式 2.5）
線分 AC を
y = ax ・・・・・・・・・・・・・・・（式 2.6）
と表すと、傾きaは
a = tan 𝜃𝑎
よって（式 2.6）は
y = (tan 𝜃𝑎 )𝑥 ・・・・・・・・・・・・・（式 2.7）
（式 2.5）
、
（式 2.7）より C 地点の座標x, yは
𝑐 ∙ tan 𝜃𝑏
x=
・・・・・・・・・・・・（式 2.8）
tan 𝜃𝑎 + tan 𝜃𝑏
𝑐 ∙ tan 𝜃𝑎 ∙ tan 𝜃𝑏
y=
・・・・・・・・・・・（式 2.9）
{
tan 𝜃𝑎 + tan 𝜃𝑏
となる。
2.3.4 製作した磁界型アンテナ
磁界型アンテナは塩ビ製パイプと DIY 用ジョイントを使用して製作し、1.5D-2V の同軸
ケーブルを東西 20 回、南北 20 回ずつ巻いた。寸法は W50 cm×D 50 cm×H 150 cm であり、
ループ面は50 cm × 50 cmの正方形断面とした図 2.8(左)。同軸ケーブルの末端の処理は図
８
2.8(右)のように接続されており、A の信号線は C の信号線と結線されており、A のグラン
ド線,B の信号線とグランド線,C のグランド線は、全てグランド線に結線されている。
図 2.8 製作した磁界型ループアンテナ(左) 同軸ケーブルの末端処理(右)
2.3.5 製作した電界型アンテナ
電界アンテナはロッドアンテナを使用して地面と垂直になるようにアンテナ架台に取り
付けた。アンテナの長さは 111 cm である。雷には負極性雷と正極性雷があり磁界型アンテ
ナのみだと極性を判断することができず、180 度の不定性が生じる。
図 製作した電界アンテナ
９
第 3 章 Raspberry Pi を用いた観測データ処理システム
3.1 Raspberry Pi について
本研究では屋外にアンテナを設置するにあたり、観測された波形を A/D 変換し、記録し
ておく PC を屋外に設置する必要がある。そこで本研究では、低消費電力かつ小型でこれを
実現可能な Raspberry Pi を使用した(図 3.1)。microSD カードへ Linux ベースの Raspbian OS
を入れておいて起動することでパソコンと同様に簡単に使用できる。Raspberry Pi 2 model B
の 2015 年時点の価格は 6000 円程度と低コストである。
図 3.1 Raspberry Pi 2 model B (出典 RASPBERRY PI FOUNDATION[7])
3.2 観測機器
磁界型アンテナからの信号はマイクレベルであるため Raspberry Pi への入力にはアンプを
使ってラインレベルまで増幅させる必要がある。図 3.2 に示すように5 kHzを中心としたバ
ンドパスフィルターを LTspice で設計し、アンプキット(秋月電子:AE-MICAMP)を組み合わ
せてプリアンプを磁界型アンテナ用に試作しノイズレベルを確認した(図 3.3)。
図 3.2 5 kHz バンドパスフィルター
１０
図 3.3 試作したプリアンプ(電源:DC2.5~5 V, 増幅:100 倍(40 dB))(左)および
試作型ノイズ(編集ソフト:Sound Engine)(右)
図 3.3 のプリアンプは Raspberry Pi から電源を供給すると電源ノイズや信号線経由でノイ
ズが多く混入してしまったので、Arduino マイコン経由でモバイルバッテリーから 5 V 電源
を取ることで解決した。しかし、モバイルバッテリーでは交換が必要なため、マイクアン
プキット(MIC-4558)を使用して、信号線の配線を同軸ケーブルに変え、電源を安定化電源
DC12 V を使用してノイズ対策を施し改良した(図 3.4)。
図 3.4 プリアンプ改良型電源:DC8V~12V 増幅:220 倍(47dB)(左)および
改良型ノイズ(編集ソフト:Sound Engine) (右)
Raspberry Pi は専用の LINE 入力端子を持たないため USB 型のサウンドカード(図 3.5)を使
用した。Raspberry Pi 上の Alsamixer で左右のゲインを調整できる。磁界型アンテナの南北
と東西方向の２チャンネルを wave 形式ファイルに録音する。以上の観測機器を防水型のプ
ラスチックケースに入れ屋外で観測を行う(図 3.6)。
１１
図 3.5 Sound Blaster(出典:CREATIVE[8])
図 3.6 観測機器の屋外設置の様子
3.3 観測データ処理
録音データの wave ファイルは Raspberry Pi 上の microSD へ保存される。録音は cron と呼
ばれるスクリプトを自動実行するデーモンプロセスを使って、5 分おきに 4 分 50 秒の録音
を行う。10 秒のマージン(この間は欠測となる)を取ってファイル生成時間を確保した。A/D
変換はサンプリング周波数 12 kHz、量子化数 16 bit で行う。Raspberry Pi 上で Python プロ
グラムによって最大値と最小値を計算し、設定した閾値以上の波形があればその wave ファ
イルを大学内サーバ PC へ FTP を使って転送し、メールで検出したファイル名の情報のみを
指定メールアドレスへ送信する。(図 3.7)。
１２
Raspberry Pi 波形検出システム(上)[9]および
図 3.7 Raspberry Pi 側検出処理プログラムのフローチャート(下)
１３
大学内のサーバ PC(Windows)では、観測地点から送られてきた wave ファイルを用いて
python プログラムが(式 2.3)に基づき落雷方位を算出し結果をテキストファイルに書き込む。
算出後テキストファイルをメールに添付し指定したメールアドレスに自動送信することで
観測者に知らせる。サーバ PC(Windows)側における Python による落雷方位算出プログラム
のフローチャートを図 3.8 に示す。
サーバ PC(Windows)落雷方位算出システム(上)[9]および
図 3.8 落雷方位算出プログラムのフローチャート(下)
１４
第４章 雷電磁波の二地点観測
4.1 高知工科大学での観測
高知工科大学 教育研究 A 棟南にある敷地内に 2015 年 8 月 1 日から磁界型アンテナ 2 成
分、同年 10 月から電界型アンテナ 1 成分を設置し観測を始めた(図 4.1)。時刻同期には高知
工科大学の NTP サーバを使用した。落雷の有無を調べるために株式会社フランクリンジャ
パンの落雷状況実況 web ページに対して SeqDownload と呼ばれるフリーの画面キャプチャ
ーソフトを使用し、10 分毎の落雷画像を保存しておく。
図 4.1 大学内観測地(左)および電磁界型アンテナ設置の様子(右)
2015 年 8 月～12 月までに捉えた雷によると考えられる空電インパルス波形を、目測と
Python プログラム（図 3.8）によって数えた結果、検出されたイベント数は図 4.2 のように
なった。
目測
140
プログラム(閾値1000)
空電インパルス波形（件）
120
100
80
60
40
20
0
8/12
8/13
8/16
8/17
8/18
8/19 10/27 10/28 10/30 12/2
図 4.2 2015 年 観測結果（磁界）
１５
12/3
12/4
目測では 203 件だったがプログラムでは 318 件の空電インパルス波形を検出した。プロ
グラムの検出数が目測を上回った理由としては、目測ではノイズに埋もれた波形を見逃し
ていることが考えられる。ノイズも空電インパルス波形として検出されている可能性もあ
るが、観測データの wave ファイルは 288 ファイル/日 生成されるのでノイズを含んでいた
としても、プログラムでの処理が効率的と考える。図 4.2 より夏は四国地方で多くの落雷が
あったが、冬になると四国地方では落雷は減った。しかし、冬になると日本海側で冬季雷
が発生するようになり、また、冬季雷は夏季雷に比べてエネルギーが数百倍の規模になる
こともあることから、日本海で発生した冬季雷も観測することができた。
4.2 高知県立芸西天文学習館での観測
2015 年 12 月 7 日に高知県芸西村にある芸西天文学習館で磁界型アンテナを設置し観測を
始めた(図 4.3)。アンテナの骨組みは角材を使用し組み立て、寸法は高知工科大学で設置し
た磁界型アンテナと同寸とし同軸ケーブルも同じものを使用した。ネットワークは IIJ 社と
LTE(Long Term Evolution)回線を契約し NEC 製のモバイルルーターAterm MR04LN を使って
接続した。時刻同期は情報通信研究機構の NTP(ntp.nict.jp)サーバーサイトから行う。LTE 回
線ではグローバル IP が振られないため、大学側からリモートデスクトップなどの操作がで
きない。そこで、Weaved と呼ばれるサービスを使用して、外部ネットワークから SSH(Secure
Shell)による安全通信や VNC(Virtual Network Computing)によるリモートデスクトップ制御
を使えるようにした。Weaved でメールアドレスとパスワードを登録し、Raspberry Pi 本体で
認証を行うことでアクセスできるようになる。これらの実装により、プログラムの変更や
稼働状況などを現地へ行かなくてもインターネット上で確認することができる。
図 4.3 芸西天文学習館観測地(左)および磁界型アンテナ設置の様子(右)
しかし、観測開始から 4 日経過した 12 月 11 日の午前 11 時頃にループアンテナからの信
号が途絶え録音できなくなってしまった。原因としては USB 型のサウンドカードと
Raspberry Pi の OS である raspbian との問題が考えられる。高知工科大学での観測と芸西天
文学習館での観測環境の違いを次の表 4.1 に示す。
１６
表 4.1 観測環境の違い
Raspbian OS version
Network
高知工科大学
4.1.7-v7+ Jessie
学内 LAN 配下の研究室内 Wi-Fi
芸西天文学習館
4.1.13-v7+ Jessie
商用 IIJ LTE 回線
高知工科大学と芸西天文学習館で使用している Raspbian OS version が違う理由としては
Network 環境の違いからである。Raspberry Pi で LTE 回線を使用するためには Raspbian OS
4.1.13 以上でなければ使用することができなかった。しかし、バージョン 4.1.13 では USB
型の Sound Blaster との相性が悪くなり、ループアンテナからの信号が入ってこなくなる障
害が発生してしまった。Dist-upgrade でカーネルごとアップデートすることで、ループアン
テナから信号が入ってくるようになったが、観測開始から 4 日後に再び信号が途絶えた。
Wi-Fi 環境であれば高知工科大学に設置している機器で観測することができたが、観測す
る場所に必ずしも Wi-Fi 環境があるとは限らないので、LTE 回線での通信を考えた。
しかし、
Raspbian OS の問題や、グローバル IP アドレスが振られないなどの問題が発生し、カバーエ
リアの広い LTE 回線を用いた観測を遠隔地に設置するには未だ問題が多いことが分かった。
１７
第 5 章 評価と考察
5.1 落雷検出頻度
高知工科大学で観測されたデータをもとに（式 2.3）を使って落雷方位角を算出し、(株)
フランクリンジャパンによる落雷情報をもとに、算出した角度と実際の落雷情報を照らし
合わせ、算出された方位の落雷有無を調査した。スプライトを CCD カメラの画角内に収め
ることを目的としているため、算出した角度±15°以内に落雷があった場合は方位一致と
判定した。また、落雷電流は正負の極性を持っているが、夏は負極性が 9 割、冬は 7 割と
負極性が多いため[10]、検出した雷を全て負極性と仮定の上で一致率を確認することとした
(図 5.1)。
140
プログラム(閾値1000)
方位一致（±15°負極性）
120
方位一致（件）
100
80
60
40
20
0
8/12
8/13
8/16
8/17
8/18
8/19
10/27 10/28 10/30
12/2
12/3
12/4
図 5.1 落雷検出精度結果(負極性落雷を仮定)
プログラムで雷を検出した件数は 318 件、そのうち方位角が±15°以内に一致したもの
は 130 件になった。よって、検出率は 40.8 %となった。プログラムでは必ずしも雷のイン
パルス波形のみを検出できる訳ではないため、プログラムでは雷と判断されたものがノイ
ズと思われる例が実際にあった。さらに今回の結果では検出した雷が全て負極性落雷の場
合と仮定しているため、正極性雷が多発する冬季については結果が異なる可能性が考えら
れる。
１８
磁界型アンテナと電界型アンテナの両方で波形を捉えたものは 12 月中に計 20 件あり、
負極性雷が 10 件、正極性雷が 10 件であった。12 月に観測された落雷波形のうち約 80%(20
例中 16 例)は日本海沿岸で発生した落雷であり、同地域は冬型の強い季節風と地形の影響か
ら正極性雷が多発する地帯であるため、正極性雷の割合が 50%と高くなった。方位と一致
しているものは負極性雷で 5 件、正極性雷で 3 件であった。よって、磁界と電界の両方を
検出し、算出された角度方向に落雷があった割合は 40%となった。落雷地点の方位を定め
るには電界アンテナによる極性判断が必要だが、観測結果では磁界 130 件と電界 20 件で検
出頻度に大きな差があった。よって、今回設置したダイポール型の電界アンテナは性能が
不十分であり改良の余地がある。また、容量性アンテナを使用することで電界変化を観測
することができる。これは金属平板を大地と水平に設置し、コンデンサを使用して外部の
電界変化を捉えるものである[11]。
5.2 落雷方位探知精度
5.2.1 夏季雷
2015 年 8 月 12 日 21 時 38 分 20 秒に発生した落雷の角度を算出し方位探知精度を評価す
る。落雷地点情は(株)フランクリンジャパンによる落雷情報[12]を使用する。落雷地点と検
出した波形を図 5.2 に示す。
図 5.2 2015 年 8 月 12 日 21:38:20 落雷検出例(左)[12]および
検出した波形(編集ソフト:Sound Engine)(右)
１９
落雷情報によると 20 時 30 分～20 時 40 分の間に土佐湾に 2 件の落雷(赤色+印)があったこと
が分かる。Google Earth と落雷情報を使用して算出した角度と落雷情報を比較した結果を図
5.3 に示す。
図 5.3 8 月 12 日に観測された雷の算出角度と落雷情報の比較
(+印は(株)フランクリンジャパンの取得データ)
高知工科大学に設置した観測装置の位置は緯度 33°37’11.77’’ N、経度 133°43’7.45’’ E で
あり、図 5.3 の 2 つの落雷地点は、それぞれ、①緯度 33°21’29.86’’ N、経度 133°42’24.46’’
E、②緯度 33°23’13.05’’ N、経度 133°43’30.64’’ E であった。図 5.3 より算出された落雷方
位(北を 0°として東まわり)は 190.3°であり、①178.6°、②182.3°に対しての角度誤差はそれ
ぞれ、①11.7°、②8.0°となった。本研究室並びに SSH 各校で使用している高感度 CCD カメ
ラの水平画角は 30°程度あるため、スプライトを捉えるには、カメラの中心から左右 15°以
内の精度で落雷方位を算出しなければならない。①と②の角度誤差は 15°以内であるため、
目的の方位算出精度として十分満たす性能である。①と②の落雷は高知工科大学に設置し
た観測点からそれぞれ、➀25.9 km、②28.9 km 離れたところに落雷している。しかし、同日
の他の時間帯には上述の 2 例よりも近い落雷報告((株)フランクリンジャパン)があったが本
研究の磁界アンテナでは観測できていない例が複数あった。それらの落雷は海や平地に落
ちたものではなく、山に落雷したものが多く、落雷地点と観測地点の間の山肌に電磁波が
遮られた可能性がある。また、図 4.1 よりアンテナ北側には教育研究 A 棟(5 階建)があるの
で、建物の影響によって北～北東側からの雷による電磁波が遮られる可能性がある。
２０
この 8 月 12 日 21 時 38 分 20 秒に捉えた落雷波形には複数の波形があることが図 5.4 から
分かる。
図 5.4 8 月 12 日 21 時 38 分 20 秒付近の複数波形(編集ソフト:Sound Engine)
図 5.4 を見ると 175 ms の間に 4 つの落雷波形があったことが分かる。非常に短い時間間
隔であることから、この 4 つの波形は 1 つの落雷によって検出されたものであると考えら
れ、電磁波が電離層反射したものだと考えた(図 5.5)。
図 5.5
落雷電磁波の電離層反射によるマルチパルス効果
図 5.4 の最初の波形は振幅が大きいため図 5.5 の水平に伝播してくる直接波だと考えられ
る。その後ろにみられる波形は上空にある電離層に反射してきた反射波であると考えた。
しかし、電離層高度を 100 km として往復 200 km の距離を電磁波(光速で計算)が移動するの
にかかる時間は約 0.7 ms となり図 5.4 の①～③の時間間隔と一桁違うことが確認された。よ
って電離層反射の可能性は低いと考えられる。落雷には大電流が流れる主放電以外にも同
２１
じ雷雲から複数の落雷が発生することや、主放電後に放出しきれなかった電荷を同じ放電
路内で放出する連続電流の存在が確認されている[13]。図 5.4 のような短時間による複数波
形は光学観測と合わせて考察する必要がある。
5.2.2 冬季雷
2015 年 12 月 4 日 2 時 22 分 7 秒に発生した落雷の角度を算出し方位探知精度を評価する。
この落雷はスプライトを伴っており、SSH の 3 校がそれぞれのスプライト観測カメラによ
る同時光学観測に成功している(図 5.6)。
図 5.6 香川県三本松高校により光学観測されたスプライト(12 月 4 日 2 時 22 分 9 秒)(左)
および同時刻における雷電磁波(2 時 22 分 7 秒)(編集ソフト:Sound Engine)(右)
図 5.6 の落雷について、(株)フランクリンジャパンに落雷情報を問い合わせた結果、落雷
地点は緯度35.732 N、経度135.350 Eとなり、大学に設置した観測地点（緯度 33.3711 N、経
度 133.43745 E）の波形から角度算出した結果、図 5.7 のような位置関係になった。
２２
図 5.7 12 月 4 日に検出された雷電磁波による算出角度と落雷情報の比較
算出された落雷方位は 18.9°実際の落雷方位は 32.0°となり誤差は 13.1°なった。カメ
ラの画角中心の 15°（黄色の範囲）以内であり今回目的とする方位算出精度を十分満たす
性能であり、実際に三本松高校の CCD カメラ(水平画角:Fov=30°)の中心付近にスプライト
が観測されている。落雷地点は観測地点から直線距離で 278 km であり図 1.1 よりスプライ
トを観測できる距離の 200 km 以上を満たしている。また、(株)フランクリンジャパンより
購入した雷情報から、この落雷の電流値は 92 kA であり、正極性雷であったことが分かる。
次に、観測時間の差について着目してみる。SSH の各校と(株)フランクリンジャパンの落
雷情報は、2 時 22 分 9 秒となっており、高知工科大学で検出された波形の時間は 2 時 22 分
7 秒 27 であり、1.73 秒の誤差がある。スプライトは発生する前にその要因となった正極性
放電が雷雲-地上間で起きていることが知られており、その時間差は1.5 ms ~ 100 ms程度と
報告されている[14]。つまり、高知工科大学で観測された波形はスプライト発生前の正極性
雷による電磁波を捉えた可能性がある。しかし、100 ms より大きい 1.73 秒の誤差を考える
と他にも要因がある。一番の誤差要因は観測機器である Raspberry Pi の時刻誤差であると考
える。Raspberry Pi は普通の PC と違い、電源を落とすと内部バッテリーを持たないため時
刻を保持できない。本研究室では、Raspberry Pi を用い GPS 受信信号に同期した時刻情報を
与えることが可能な NTP サーバを開発したが、そこからプロキシサーバ経由の大学のイン
ターネット環境下で同期を行おうとすると、同期できない問題があったため、学内既設の
NTP サーバを使用した。しかし、ポーリング間隔が 1024 秒であったため、数秒程度の時刻
２３
誤差が発生していたと考えられる。
そこで Raspberry Pi 上の時刻管理を NTP より高機能な(基
盤上の水晶振動子のずれも補正する)chrony に入れ替え、minpoll 4 と maxpoll 8 に変更し 16
秒間隔で時刻同期するように設定を変更した[15]。また、今回は実装できていないが、この
場合コスト面ではやや不利となる、上述の Raspberry Pi に GPS を付け直接時刻同期をする
ことによってさらに時刻精度を向上させることができる。
この落雷については電流値が 92 kA とわかっているので、到来した電磁波の磁束密度を計
算しループアンテナの起電力 V を算出する。この落雷を上向き正極性雷と仮定すると、落
雷地点から放出された電界を観測地点で検出した時の電界は次式で表される。
−𝑣
E = 2𝜋𝜀
帰還雷撃電流(落雷地点): 𝐼𝑡−𝑟/𝑐 ,
光速:c,
0𝑐
2𝑟
𝐼𝑡−𝑟/𝑐 ・・・・・・・・・・・・（式 5.1）[16]
帰還雷撃電流の上昇速度: 𝑣,
落雷地点からの距離:r,
真空誘電率:𝜀0
帰還電撃電流の上昇速度は光速の 50~70%程度であり、この速度は高さが高くなる程減尐す
る[17]。今回の落雷は正極性であるため雷雲は低かったと考えられる。よって帰還電撃電流
の上昇速度𝑣は光速の 50%と仮定して計算すると、
（式 5.1）よりE ≒ −13.8[V]となる。
電界 E と磁束密度 B はB = E/c（c:光速）の関係があるので、磁束密度 B はB ≒ −4.6 ×
10−8 [𝑊𝑏/𝑚2 ]となる。ループアンテナの面積は0.25[𝑚2 ]、磁束ϕはϕ ≒ −1.2 × 10−8 [𝑊𝑏]と
なり、起電力 V は巻き数 20 回、プリアンプ増幅倍率 220 倍、∆𝑡 = 100 [μs]の時、
（式 2.2）
より、V ≒ 528[𝑚𝑉]となった。民生用音響機器のラインレベルは−10[dBV](245 mV; 0 dBV =
1 V)と言われているので、ラインレベルまで増幅できていた。国内での落雷電流値は
1 kA~20 kA程度が多いとされているが、今回の落雷電流値は 92 kA もあり非常に高い電流
値であることが分かる。現在の観測装置でどれぐらいの落雷であれば検出できるのか考察
する。計算条件を表 5.1 に示す。
表 5.1 計算条件
v: 帰還電撃電流の上昇速度[m/s]
r: 落雷地点からの距離[km]
3 × 108 × 0.5
200
3 × 108
c: 光速[m/s]
8.854 × 10−12
𝜀0 : 真空誘電率[F/m]
ループ面積[𝑚2 ]
0.25
プリアンプ増幅倍率[倍]
220
ループ巻き数[回]
20
微小変化時間[μs]
100
落雷地点と観測地点間の距離cは、図 1.1 の観測可能距離より 200 km とした。以上の条件
より落雷電流値を 1 kA~100 kA の間で 1 kA ずつ増やしてループアンテナから出力される電
２４
圧を計算し、ラインレベルである−10 dBV(245 mV)以上になる落雷電流値を求めた結果、
200
km 遠方の落雷電流値45 kA以上の電流があれば設置したループアンテナで検出できること
が確認された。しかし、45 kA は国内の落雷電流値としては大きいため、ループアンテナの
ループ面積を大きくすることで、200 km 離れた 20 kA の落雷電流を検出することを考える。
表 5.1 の条件でループの縦横を 1 cm ずつ増やして245 mV以上になるループ面積を求めた結
果、ループ面を縦0.75 m、横0.75 mにすれば起電力247 mVとなり、現在のループアンテナ
よりも縦横0.25 mずつ大きくすれば、200 km離れた20 kAの落雷電流値を持つ落雷を検出で
きることが確認された。
5.3 落雷電磁波周波数
観測された落雷電磁波の周波数を Sound Engine と呼ばれるフリーソフトを使用して、8
月の 3 件の夏季雷と 12 月の 3 件の冬季雷をスペクトログラムで表示した(図 5.8)および(図
5.9)。
図 5.8 夏季雷のスペクトログラム(サンプリング周波数 22.05 kHz)
(編集ソフト:Sound Engine)
２５
図 5.9 冬季雷のスペクトログラム(サンプリング周波数 12 kHz)(編集ソフト:Sound Engine)
図 5.8 と図 5.9 を見ると、まず、下部の緑色の部分は電源ノイズによる影響だと考えられ
る。
図 5.8 と図 5.9 の中央にある縦に伸びる緑色の線が落雷によって発生した電磁波であり、
どちらも 1 kHz~3 kHz の周波数を持つ電磁波であることが分かった。これは図 2.4 の雷の持
つ周波数範囲内であることが分かる。落雷直後の電磁波は低周波から高周波までの周波数
を持つが、高周波成分は式 2.1 より減衰し、低周波成分が残った理由としては図 2.3 の電離
層反射による長距離伝播したものと考える。
ここで観測された落雷電磁波を時間帯(地方時)別に見たグラフを図 5.10 に示す。
２６
18
夏
16
冬
14
落雷数(件)
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
時間
図 5.10 観測された時間帯別の落雷電磁波(8 月～12 月)
図 5.10 より昼間と夜間を比べると、夜間の落雷電磁波の方が多いことがわかり、図 5.8
と図 5.9 の落雷電磁波はいずれも夜間に観測されたものである。このような結果になった要
因として、太陽活動による電離層の変化が影響していると考えられる。電離層は太陽から
の紫外線や X 線によって変化することが分かっており、
昼間に存在する D 層(高度 60 km~90
km)は夜間になると太陽からの紫外線が届かないため消滅する。そのため、夜間は E 層(高
度 90 km~130 km)で反射が起こり、高度が D 層よりも高いため反射回数が尐なくなりその結
果、電磁波の減衰も尐なることで、長距離まで伝播し夜間の観測数が増えたのではないか
と考える。夏と冬を比べると夏は夜、冬は昼夜問わず落雷電磁波を検出していたことが分
かる。冬季雷は 2 章 1 節にもあるように冷たい季節風と本州沿岸を流れる対馬海流との温
度差によって発生した雷雲が要因となっているので昼夜問わず落雷があったと考えられる。
また、夏季雷(図 5.8)と冬季雷(図 5.9)を比べると夏季雷の方が強い信号であることが分かる。
これは、観測点と落雷地点の距離が近かったからだと考えられる。今回の観測では夏は近
距離(10 km~30 km)、冬は遠距離(50 km~300 km)の落雷が多かったためこのような結果とな
った。
5.4 二地点観測による落雷地点算出
今回 4.2 節に示した通りより芸西天文学習館での観測が OS の問題から継続できず、期間
内に問題を解決できなかったため、高知工科大学での一地点のみのデータしか得られなか
２７
ったが、二地点からデータを得られた場合の落雷地点算出システムについて考える。デー
タ処理の流れを図 5.11 に示す。
２８
図 5.11 二地点観測フローチャート
２９
同時観測データの解析では、二つの観測地点のデータをひとつに集める必要がある。こ
こでは高知工科大学と芸西天文学習館に設置した装置で観測した wave データを Google
drive の仮想フォルダへ転送する。図 5.11 に示すように、Google drive 上にある wave ファイ
ル読み込み変数に入れ 16bit で正規化(-32768~32767)する。その後、東西の最大値、最小値、
南北の最大値、最小値のうち閾値(1000)を超えたものがあれば、ファイル名、時間、角度を
テキストへ書き込む。テキスト中にファイル名の MDT 時刻(月日時刻)と max と min が検出
された時刻が一致していれば同じ落雷波形を検出しているものとし、それぞれ𝜃𝑎 , 𝜃𝑏 へ算出
された角度を代入し、落雷地点(x, y)を式 2.8 および式 2.9 より算出する。本研究では遠雷の
落雷方位を算出するため、二地点間の距離は 50 km~100 km 程度離れていた方が良いと考え
らえる。今回の観測点である高知工科大学と芸西天文学習館は、直線距離で 14 km 程度し
か離れていないため観測範囲において不利であった。二地点間の距離はただ離れていれば
良いのではなく、設置する地理的環境(山、建造物、電線、電車など)によってノイズや検知
性能が決まるためなるべく、周りに何もない平野などが良いと考える。しかし、周りにネ
ットワーク環境が無ければ観測データを転送することができないため、観測地点の環境と
ネットワーク環境は一般的に相反する関係である。
5.5 検出範囲
夏季雷においてこれまでに観測された最も遠い落雷は 2015 年 8 月 17 日 23 時~23 時 10 分
に発生した落雷である(図 5.12)。
図 5.12 検出範囲（夏季雷）(+印は(株)フランクリンジャパンの取得データ)
３０
図 5.12 の落雷は観測地点から 170 km 遠方で発生している。よって、夏季雷においての最
大検出範囲は図 5.12 の黄色円で囲まれた半径 170 km 以内であることが確認された。図 5.12
は海へ落雷した海雷と呼ばれるもので、周りに電磁波を遮蔽する物体が無いため、長距離
伝搬し易かったと考えられる。四国山脈やそれよりも北へ落雷した電磁波は山や建物で遮
蔽されるため、北側の検出範囲に関しては小さくなることが考えられる。
冬季雷においてこれまでに観測された最も遠い落雷は 2015 年 12 月 4 日 2 時 22 分 7 秒に
発生した落雷である(図 5.13)。
図 5.13 検出範囲（冬季雷）
図 5.13 の落雷は観測地点から 278 km 遠方で発生している。よって、冬季雷においての最
大検出範囲は図 5.13 の黄色円で囲まれた半径 278 km 以内であることが確認された。日本の
冬季雷は夏季雷に比べるとエネルギーが数百倍になる場合もあり、発生する電磁界も大き
くなるため、検出範囲は夏季雷よりも広くなったと考えられる。
３１
第 6 章 結論
2015 年 8 月～12 月までの 5 か月間で、落雷電磁波による磁界変動波形 318 件の自動検出
に成功し、そのうち気象観測の落雷情報ページに報告されているデータに対して、方位が
±15°の範囲で一致した例は 130 件となった。よって、方位一致の落雷電磁波検出率は
40.8 %となった。また、夏季雷における最大検出範囲は 170 km、冬季雷における最大検出
範囲は 278 km となり、夏季雷と冬季雷における落雷電流値の違いによって検出範囲に大き
な差が見られた。落雷が長距離伝搬してきた際の電磁波周波数は夏季雷、冬季雷ともに 1
kHz~3kHz の周波数域を持つことが確認された。また、観測地の Raspberry Pi 上で連続稼働
する Python プログラムによる閾値判別と角度算出で落雷波形の有無と角度値を自動処理し
観測者に伝えるシステムは、遠隔地からデータを転送する際に問題となるデータ通信量制
限を解決し観測者の負担を減らす重要な要素であった。本研究で使用した Raspberry Pi は屋
外の温度変化や雨にも耐え、低コストを実現できただけでなく観測機器としての耐久性を
持つことが確認された。
今後、スプライト観測可能距離である 200 km 離れた落雷電磁波を検出するために、ルー
プ面を縦横 0.75 m 以上に増やすとともに、複数地点による同時観測を行うことで、落雷方
位算出精度を高めることが必要である。
３２
謝辞
本研究を進めるにあたり、指導教員であり常に的確なご指導、ご鞭撻をくださいました
高知工科大学 システム工学群 山本真行 教授に心から感謝し、観測地点の提供をして頂い
た芸西天文学習館（公益財団法人高知県文教協会）の皆様と香川県立三本松高等学校 三好
輝徳様に感謝申し上げます。また、高知工科大学 システム工学群 柿並義宏 博士(現:台湾
國立中央大学)をはじめ、本研究のループアンテナ製作、プログラム作製、論文作成にあた
り貴重な意見や知識を頂いた山本研究室のすべての方々に、心より感謝いたします。あり
がとうございました。
３３
参考文献
[1]坂元良輔,直交ループアンテナによる電磁波検知を用いた高効率スプライト観測システム
の基礎開発.
[2]福西 浩,新用語解説 スプライト,日本学術復興会北京研究連絡センター,
http://www.metsoc.jp/tenki/pdf/2009/2009_07_0081.pdf, 2016 年 1 月参照.
[3]河崎善一郎,雷放電とは –雷放電の物理-,大阪大学大学院工学研究科,565-078,Japan
[4]足立透, VLF 帯電波観測網による東南アジア域の雷・電離圏活動のモニタリング, 京都大
学生存圏研,0916-1295,2008.
[5]COLIN PRICE, MOSHE BLUM, ELF/VLF RADIATION PRODUCED BY THE 1999 LEONID
METEORS, Tel Aviv University.
[6]THE UNIVERSITY OF ARIZONA,
http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring08/atmo336s1/courses/spring13/atmo589/A
TMO489_online/lecture_17/currents_from_fields.html,2016 年 1 月参照.
[7]RASPBERRY PI FOUNDATION, https://www.raspberrypi.org/blog/raspberry-pi-2-on-sale/,2015
年 12 月参照.
[8]CREATIVE, http://jp.creative.com/p/sound-blaster/sound-blaster-easy-record,2015 年 12 月参照.
[9]WIKIMEDIA COMMONS, https://commons.wikimedia.org/wiki/Crystal_Clear#MIME_types,
2015 年 12 月参照.
[10]日本大気電気学会; 大気電気学概論, コロナ社,p.43, pp.237, 2003.
[11]日本大気電気学会; 大気電気学概論, コロナ社,p.58, pp.237, 2003.
[12]株式会社フランクリンジャパン,
http://www.franklinjapan.jp/contents/lightning-info/current/2015 年 8 月参照
[13]日本大気電気学会; 大気電気学概論, コロナ社,p.40, pp.237, 2003.
[14]日本大気電気学会; 大気電気学概論, コロナ社,p.68, pp.237, 2003.
[15]Raspberry Pi の時刻合わせ(chrony 導
入),http://wings2fly.jp/yaneura/raspberry-pi-clock-setting-by-chrony/,2016 年 1 月参照
[16]岸本保夫,雷観測システムおよび雷保護規格の最新動向,NTT Building Technology institute
2005. 2016 年 1 月参照
[17]日本大気電気学会; 大気電気学概論, コロナ社,p.36, pp.237, 2003.
３４