流星電波観測データの分析と宇宙ゴミ成分の存在可能性の考察 14S1-053 原桐生 1

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れんまみおか
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1 流星電波観測データの分析と宇宙ゴミ成分の存在可能性の考察 14S1-053 原桐生 1

2 要旨私たちの目では流星は晴れた夜にしか見ることが出来ないしかし実際は雨の日や空が明るい時間でも流星は流れている本研究は電波を使うことにより天候や時間に関係なく流星を常時観測し観測装置により得られたデータをグラフ化し解析することにより流星の活動と流星消滅時間日別流星数と流星群到来日等から流星群に伴う流星や散在流星宇宙ゴミによる成分を識別する可能性を探ることを目的とする研究の結果流星群に伴って時間の長いエコーが増えることが分かったまた流星群の活動に関係なく常に短いエコーが現れていることから時間の短いエコーには宇宙ゴミによる成分が含まれる可能性が考えられるが流星群の到来と共に時間の短いエコーも増えていることから時間の短いエコーが全て宇宙ゴミであるとは言えないことが分かった 2

3 目次要旨 1 流星 1-1 流星群 1-2 散在流星 1-3 流星電波 1-4 電波観測のメリットデメリット 2 宇宙ゴミ 3 観測装置と使用ソフト 3-1 受信アンテナ 3-2 受信機 3-3 使用ソフト 4 観測データ 4-1 流星と思われるエコー 4-2 大きな流星と思われるエコー 4-3 非常に大きな流星と思われるエコー 4-4 航空機に反射いたものと思われるエコー 4-5 スポラディック E 層の発生いよるエコー 4-6 ノイズ 3

4 5 観測データの解析 5-1 流星エコーデータの選別 5-2 流星活動のグラフ 5-3 流星消滅時間の対数グラフ ( 月平均 ) 5-4 日別流星数と流星群到来日 5-5 時間別平均流星数 6 考察 6-1 航空機によるエコーデータの確認 6-2 流星活動 6-3 流星消滅時間 6-4 日別流星数と流星群到来日 6-5 時間別平均流星数 7 今後 8 参考文献 9 謝辞 4

流星群のもととなる流星物質は彗星が撒き散らした塵で地球が塵の帯を横切る日時は毎年決まっているため特定の時期に流星群が出現する

5 1 流星流星は宇宙空間に漂っている小さな塵が地球の大気圏に飛び込んで大気中の原子や分子と衝突しプラズマ化することにより発光する現象である塵の大きさは数 mm から数 cm 程度で地球への突入速度は秒速 70km にもなる流星の発光は大きさや速度によって高度 90km~110km で起こる 1-1 流星群流星群は毎年私たちを魅了する天体ショーの一つである流星群のもととなる流星物質は彗星が撒き散らした塵で地球が塵の帯を横切る日時は毎年決まっているため特定の時期に流星群が出現するこのとき塵は同じ方向からやってくるためほぼ平行に地球の大気に突入してくるそれらを地上から観測すると夜空のある一点から放射状に飛び出すように見えその点を放射点と呼び放射点のある方向の星座の名前を前につけて〇〇流星群と呼んでいる図 1 彗星軌道と地球の公転軌道図 2 ペルセウス座流星群の放射点 5

1-2 散在流星散在流星は流星群に属さない流星で流星群が散逸化して太陽系内を漂う流星物質である 1 日におよそ 40~50 トン地球に降り注いでいると言われている明け方に流星数が多く夕方に流星数が少なくなる日周変化がありこれは我々観測者が明け方には地球の進行方向にいるため流星物質との衝突の可能性が夕方と比較すると高いからであるまた

6 1-2 散在流星散在流星は流星群に属さない流星で流星群が散逸化して太陽系内を漂う流星物質である 1 日におよそ 40~50 トン地球に降り注いでいると言われている明け方に流星数が多く夕方に流星数が少なくなる日周変化がありこれは我々観測者が明け方には地球の進行方向にいるため流星物質との衝突の可能性が夕方と比較すると高いからであるまた春先に少なく秋に多い年周変化も観測されている 1-3 流星電波本研究では電波により流星を観測する観測する電波は福井県鯖江市にある福井工業高等専門学校より常時発信されている MHz の電波である流星が大気に突入してくると原子や分子と衝突し電離した気体ができその電離した気体に跳ね返された電波を受信することにより観測を行う図 3 電波観測のイメージ 6

1-4 流星電波観測のメリットデメリット流星電波観測のメリットは主に 3 つある 1 つ目は天候に左右されない事だ曇っていても雨が降っていても観測が行える 2 つ目は機械が故障さえしなければ 24 時間 365 日観測が行える 3 つ目は比較的簡単に誰でも観測が行える点である同時にデメリットも主に 3 つある 1 つ目はスポラディック E 層などのノイズが入りやすい点である 2

7 1-4 流星電波観測のメリットデメリット流星電波観測のメリットは主に 3 つある 1 つ目は天候に左右されない事だ曇っていても雨が降っていても観測が行える 2 つ目は機械が故障さえしなければ 24 時間 365 日観測が行える 3 つ目は比較的簡単に誰でも観測が行える点である同時にデメリットも主に 3 つある 1 つ目はスポラディック E 層などのノイズが入りやすい点である 2 つ目は航空機に反射した電波も拾ってしまう 3 つめは流星群と散在流星の区別がつきにくいことである 2 宇宙ゴミ宇宙開発が進んでいる近年地球軌道上の宇宙空間で新たな問題が起きている宇宙ゴミ問題である宇宙ゴミは使い終わった人工衛星やロケットの破片などの人工物である 10cm 以上のものだけで 2 万個以上あり 1mm 以上のものを含めると数億個あると言われている速度はおよそ秒速 8km である使用中の人工衛星や国際宇宙ステーションに滞在している宇宙飛行士にとって深刻な脅威となっているまたこの問題の解決を困難にしているのがケスラーシンドロームであるこれは宇宙ゴミ同士の衝突により更に宇宙ゴミが発生することであるこのまま宇宙ゴミを放置しておくとケスラーシンドロームにより増え続け宇宙開発に大きな支障をきたす事になるこの宇宙ゴミも大気圏突入時に流星のように光ることが予想される図 4 宇宙空間を漂う宇宙ゴミのイメージ 7

HROView HROReport の 3 つのフリーソフトを使用し観測から解析までを行った MROFFT は観測データを 10 分ごとに1 枚の画像に出力する HROView

8 3 観測装置と使用ソフト 3-1 受信アンテナ受信アンテナは 50MHz 帯の電波を受信する COMET CA-52HB を使用した 3-2 受信機図 5 30 号館屋上に設置されている受信アンテナ受信機は ITEC HRO-RX1a を使用した図 6 30 号館天体観測室に置かれている受信機 3-3 使用ソフト本研究では MROFFT HROView HROReport の 3 つのフリーソフトを使用し観測から解析までを行った MROFFT は観測データを 10 分ごとに1 枚の画像に出力する HROView ではエコー数やエコー継続時間などを MROFFT によって出力されたデータをもとに解析を行った HROReport では HROView によって解析した 10 分ごとのデータを時間ごとに集計した 8

9 4 観測データ MROFFT では 10 分ごとの観測データが図 7~ 図 18 に示すように出力される縦軸が周波数横軸が時刻下に受信強度 (db) で反射された電波を受信するとその周波数に対応したところに受信強度に応じて青緑赤色で写し出される受信強度は青 < 緑 < 赤の順である 4-1 流星と思われるエコー図 7 図大きな流星と思われるエコー図 9 図 10 9

10 4-3 非常に大きな流星と思われるエコー図 11 図航空機に反射したものと思われるエコー図 13 図 14 10

11 4-5 スポラディック E 層の発生によるエコー図 15 図ノイズ図 17 装置が原因と思われるノイズ図 18 受信感度が高い 11

5 観測データの解析 5-1 流星エコーデータの選別図 7~ 図 18 の画像例のうち図 12 までは実際の流星に起因するイベントが見えているが図 13 以降は流星に起因しないイベントである以降の流星電波観測データの解析に当たっては図 13~ 図 18 に見られるような流星に起因しないイベントと分かるものを除外したその中でも

12 5 観測データの解析 5-1 流星エコーデータの選別図 7~ 図 18 の画像例のうち図 12 までは実際の流星に起因するイベントが見えているが図 13 以降は流星に起因しないイベントである以降の流星電波観測データの解析に当たっては図 13~ 図 18 に見られるような流星に起因しないイベントと分かるものを除外したその中でも航空機に反射したものは一見流星エコーのように見えるが流星エコーとは違いドップラー効果による周波数の変化が見られる実際図 14 のエコーが航空機のものであることを特定することができた flightradar24 を使い福井工業高等専門学校のある福井県鯖江市と明星大学のある東京都日野市を直線で結びそこを同時刻に通過する航空機を特定した (6-1 参照 ) 図 19 12

13 5-2 流星活動のグラフ以下図 20~ 図 26 まで 2017 年 6 月から 12 月までの月ごとの流星数の変化を示すグラフの縦軸は流星数横軸は各月の日数であるまたグラフの空いているところはノイズや観測装置の不具合により観測が出来なかった日である青色の散布図は全流星数棒グラフのオレンジ色は 10 秒以上のエコー灰色は 20 秒以上のエコーを示す流星活動のグラフに出てくるエラーバー ( 誤差範囲 ) はその日の流星数と観測できた時間によって変わる 4-6 のようなノイズが現れた時間は観測時間には入れない本研究で観測した流星数には統計的誤差があるため誤差を示すエラーバーを表示している誤差を式で表すと ± n 1440 t で与えられる n は流星数 t は 1 日のうち実際に観測できた時間 ( 分 ) である echoes Radio Meteor Observation---Observed Result ( June 1 - June 30 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA) dates Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 図 20 6 月の流星活動 13

14 220 Radio Meteor Observation---Observed Result ( July 1 - July 31 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA) echoes dates Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 図 21 7 月の流星活動 Radio Meteor Observation---Observed Result ( August 1 - August 31 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA) echoes dates Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 図 22 8 月の流星活動 14

15 echoes Radio Meteor Observation---Observed Result ( September 1 - September 30 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA) dates Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 図 23 9 月の流星活動 echoes Radio Meteor Observation---Observed Result ( October 1 - October 31 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA) dates Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 図月の流星活動 15

16 echoes Radio Meteor Observation---Observed Result ( November 1 - November 30 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA) dates Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 図月の流星活動 echoes Radio Meteor Observation---Observed Result (December 1 - December 31) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA) dates Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 図月の流星活動 16

17 5-3 流星消滅時間の対数グラフ ( 月平均 ) 次に各月の流星について流星消滅時間の頻度分布を図 27~ 図 30 に示す縦軸に月平均の流星数を対数で示し横軸は流星消滅時間 ( 秒 ) である 100 June echoes lost time (second) 図 27 6 月の流星消滅時間 17

18 August echoes lost time (second) 図 28 8 月の流星消滅時間 September echoes lost time (second) 図 29 9 月の流星消滅時間 18

19 Octorber echoes lost time (second) 図月の流星消滅時間 19

20 5-4 日別流星数と流星群到来日次にエコー継続時間が 10 秒以上のロングエコー数を 1 日ごと 6 月から 12 月までを通して図 31 に示す long echoes おひつじ座流星群うしかい座流星群ペルセウス座流星群みずがめ座 δ 流星群 6 月 1 日 6 月 8 日 6 月 15 日 6 月 22 日 6 月 29 日 7 月 6 日 7 月 13 日 7 月 20 日 7 月 27 日 8 月 3 日 8 月 10 日 8 月 17 日 8 月 24 日 8 月 31 日 9 月 7 日 9 月 14 日 9 月 21 日 9 月 28 日 10 月 5 日 10 月 12 日 10 月 19 日 10 月 26 日 11 月 2 日 11 月 9 日 11 月 16 日 11 月 23 日 11 月 30 日 12 月 7 日 12 月 14 日 12 月 21 日 12 月 28 日図 31 ロングエコーのみの流星数 June - December 2017 dates オリオン座流星群しし座流星群ふたご座流星群 20

21 図 32 にはエコー継続時間が 10 秒未満のエコー数を 1 日ごと 6 月から 12 月までを通して示す other than long echoes おひつじ座流星群うしかい座流星群ペルセウス座流星群みずがめ座 δ 流星群 6 月 1 日 6 月 8 日 6 月 15 日 6 月 22 日 6 月 29 日 7 月 6 日 7 月 13 日 7 月 20 日 7 月 27 日 8 月 3 日 8 月 10 日 8 月 17 日 8 月 24 日 8 月 31 日 9 月 7 日 9 月 14 日 9 月 21 日 9 月 28 日 10 月 5 日 10 月 12 日 10 月 19 日 10 月 26 日 11 月 2 日 11 月 9 日 11 月 16 日 11 月 23 日 11 月 30 日 12 月 7 日 12 月 14 日 12 月 21 日 12 月 28 日図 32 ロングエコーを除いた流星数 June - December 2017 dates オリオン座流星群しし座流星群ふたご座流星群 21

22 5-5 時間別平均流星数日周変化を見るために 6 月から 12 月までの全流星数について時刻ごとの出現数の平均を図 33 に示す縦軸に流星数横軸に 0 時から 23 時までの時刻である June-December echoes time (hour) 図 33 6 月から 12 月までの時間別平均流星数 22

23 6 考察ノイズなどにより観測不能となった日時もあるが電波観測によって得られたデータにより航空機に反射されたエコー流星活動流星消滅時間日別流星数流星群到来日と時間別平均流星数について考察する 6-1 航空機によるエコーデータの確認図 19 から日本時間で 2017 年 12 月 9 日午前 8 時 7 分過ぎに福井工業高等専門学校から東京都日野市の方向へおよそ 100 km付近を通過する航空機が同日午前 7 時 45 分名古屋発午前 9 時 10 分秋田着の ANA1837 便であることが分かった図 14 のエコーを見ると流星のエコーとは違いドップラー効果による周波数の変化がみられるこれは航空機が遠くから近づいてきて再び遠ざかっていくためと考えられる 6-2 流星活動流星活動のグラフから流星群がやってくると 10 秒以上のロングエコーが増えているこれは流星群の反応が多い 8 月のグラフ ( 図 22) と流星群の反応が少ない 9 月のグラフ ( 図 23) を比較するとよくわかるこれは大気圏突入速度の違いによるものだと思われるしかし 9 月にもロングエコーが少し多くみられた 10 月は本来オリオン座流星群がやってくるが今回の観測ではロングエコーが予想以上に見られなかった 11 月は比較的落ち着いていて目立った活動は見られなかった 23

24 6-3 流星消滅時間流星消滅時間のグラフでは 7 秒付近を境に 2 つの成分に分けて考えると 1 秒から 7 秒までは流星群のエコーが多い 6 月と 8 月のときでも傾きに大きな変化は見られないが 7 秒以降は傾きの位置が流星群の反応が比較的少ない 9 月と 10 月に比べ上にシフトしているこのことから 1 秒から 7 秒までのエコーは流星群にあまり影響されていないことがわかるつまり 1 秒から 7 秒までのエコーの中には宇宙ゴミが含まれている可能性が考えられるのではないだろうか流星消滅時間は入射してくる物体の速度に比例すると考えるのは自然なことだろう地球周回軌道外からくる流星に比べ宇宙ゴミの大気圏突入速度は小さく消滅時間が短くなることは説明がつくと考えられる 6-4 日別流星数と流星群到来日 5-4 のグラフ ( 図 31 図 32) を見ると流星群がやってくると流星数が増えるのと同時にロングエコーも増えていることが改めてわかるしかしながら流星群が来ていない 9 月に流星数が比較的多くロングエコーも少し多いことがわかるロングエコーを除いた流星数に関しては解析時に流星の反応とノイズの反応とを間違えてカウントしてしまった可能性があるしかし 10 秒以上のロングエコーはノイズと流星の反応を間違えることはほとんど無いはずである従って 9 月にロングエコーが増えている事に関してはっきりとした理由は分かっていない流星群の到来と共に流星数も増えていることから流星消滅時間の短いものが必ずしも宇宙ゴミとは限らないことも言える 6-5 時間別平均流星数時間別平均流星数のグラフを見ると夜中から明け方に流星数が多く昼間から夕方にかけて流星数が少ないことが分かり 1-2 で述べた散在流星の特徴である日周変化が本研究の観測からも改めて分かる 24

25 7 今後本研究は 1 年を通して安定的に観測が出来ていないので今後も電波を使った流星の観測研究を行うのであれば研究精度を上げるために新たに受信設備を設けると良いと思う現在は明星大学の天体観測ドームのある 30 号館にあるため反射望遠鏡を動かすとノイズが入ったり受信強度に変化が生ずるため可能であれば 29 号館に設置できると以前よりも安定して観測が行え受信強度の調整なども容易になり研究精度が上がると考える 2 つの異なる受信設備で観察が出来ればアンテナや受信機によって流星数に変化が生ずるのかなども研究できると考える年間を通して観測することにより流星電波観測による年周変化についても考察できると考える 25

26 8 参考文献流星電波観測国際プロジェクト国立天文台(NAOJ) 宇宙航空研究開発機構(JAXA) AstroArts Tanikawa Plan-net flightradar

27 9 謝辞研究を進めるにあたり終始ご指導戴いた井上一常勤教授小野寺幸子准教授日比野由美実習指導員に深謝致しますまた研究を始めるにあたり多くの助言を戴きました津田裕也さんそして同研究室の方々に感謝致します 27

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Microsoft Word - 01.docx 京都大学 MU レーダーで宇宙ごみの姿を捉える ~ 観測波長より小さいスペースデブリのサイズやスピンの推定に成功 ~ 概要高度数百 km の地球周回軌道上にあるスペースデブリ ( 宇宙ごみ ) のうちレーダー観測装置の波長と比較して大きさが同程度以下のスペースデブリのサイズスピン概形等の状態の推定をする観測手法を提案し大型大気レーダーである京都大学生存圏研究所 MU レーダー ( 周波数

流星電波観測データの 分析と宇宙ゴミ成分の 存在可能性の考察 14S1-053 原桐生 1

流星電波観測データの分析と宇宙ゴミ成分の存在可能性の考察 14S1-053 原桐生 1