特集 学 術 研 究 の 国 際 ネットワー ク
宇 宙電 波科 学 と
国際 ネットワーク
松本 紘
電 波 の 世 紀 の 始 ま り J.C. Maxwellの 電 波 の 理 論 的 予 測(1864年)の 四 半 世 紀 後(1888年)にHeinrich Hertzが 実 験 的 に そ の 存 在 を 示 し て 、電 波 が 人 々 の 関 心 を集 め 始 め た 。 今 世 紀 に 入 っ て 、 有 名 なM.G. Marconiの 大 西 洋 横 断 無 線 通 信 実 験 が 成 功 し 、 無 線 電 信 が 脚 光 を浴 び 、 電 波 の 世 紀 が 始 ま っ た 。1908年 に ベ ル ギ ー の Leopold2世 は 、 本 国 と 植 民 地 で あ っ た コ ン ゴ と の 通 信 確 保 の た め に 、 ブ リ ュ ッ セ ル 大 学 のR.B. Goldschmidt教 授 に 赤 道 越 え の 無 線 電 信 実 験 を 命 じ た 。 この 問 題 の 解 決 に は 国 際 協 力 が 必 要 と 感 じた Goldschmidt教 授 は 、 私 財5万 フ ラ ン を 投 じ て 送 信 機 を 含 む 実 験 施 設 を 開 き 、ヨ ー ロ ッパ の7ヵ 国(英 、 独 、仏 、伊 、和 蘭 、ベ ル ギ ー 、オ ー ス ト リ ア)の 電 波 研 究 者9名 を 集 め 、 科 学 電 信 委 員 会(TSFS)を1913 年 に 発 足 させ た 。 こ の と き す で に 研 究 者 を 通 し た 学 術 の 国 際 ネ ッ トワ ー ク が う ま く 活 用 され て い る 。 第 一 次 大 戦 後 、ICSU(国 際 科 学 会 議)の 前 身 で あ るIRC (International Research Council)の 傘 下 で 、TSFSは 発 展 的 に 解 消 され 、 国 際 電 波 電 信 科 学 連 合(URSI)が1919年 に 結 成 され た 。 し た が っ て 、 URSIは 国 際 純 粋 ・応 用 物 理 学 連 合(IUPAP)、 国 際 純 正 ・応 用 化 学 連 合(IUPAC)、 国 際 数 学 連 合(IMU)、 国 際 測 地 学 及 び 地 球 物 理 学 連 合(IUGG)な ど と と も にICSUの な か で 最 も古 い 科 学 連 合 の 一 つ で あ る 。 最 初 のURSI総 会 は1922年 に 開 催 され て い る。 英 、仏 、 ベ ル ギ ー、 米 、 伊 、 ノル ウ ェ ー の6ヵ 国 で 出 発 したURSIは1927年 の ワ シ ン トン総 会 で は 、 加 盟 国 は 日本 を含 む11ヵ 国 に増 えた 。61名 の 代 表 が集 い 、 当時 発 見 され たて のKennely-Heaviside層 (いわ ゆ る電 離層)を 中心 に 、22編 の 研 究 発 表 や 国 際 組 織 の あ り方 に 関 す る議 論 が 、3週 間 も続 け られ た そ うで あ る。 当 時 の 研 究 者 の 時 間 は非 常 に ゆ っ く り と流 れ て いて 、筆 者 自身 の ゆ と りの な さ と比 べ て 大 変 羨 ま し く思 え る。 1928年 総 会 で はURSIは 現 在 の 「国 際 電 波 科 学 連 合 」 と改 名 され て い る。 また 、 この 年 に は 日本 代 表 の 長 岡 半 太 郎 先 生 がURSI副 会 長 に選 出 され て い る。 私 財 を投 げ う って 電 波 研 究 に 情 熱 を燃 や した Goldschmidt教 授 は 、URSI事 務 局 長 を生 涯 勤 め て い る。 その情 熱 と人 柄 と豊 富 な知 見 に よ る国 際 的 人 脈 ネ ッ トワ ー ク が 、URSI創 設 の鍵 とな っ たの で あ ろ う。 「学 問 とは真 実 をめ ぐる 人 間 関 係 で あ る」 を 示 す い い例 で あ ろ う。 間 口 の 広 い 宇 宙 電 波 科 学 そ の 後 、電 波 研 究 は短 波 通 信 に重 要 な役 割 を果 た した電 離 層 の 研 究 や レー ダー や新 型 デ バ イ ス な ど の 電 子 技 術 開 発 と関 連 して発 展 して い った 。 通 信 は光 フ ァ イバ ー の 発 明 に よ って 、一 旦 無 線 か ら有 線 通 信 に傾 い て い った が 、 最 近 は携 帯 電 話 な どの 移 動 通 信図1 GEOTAIL観 測 結 果 と計 算 機 シ ミ ュ レー シ ョン結 果 の 比 較 。 非 常 によ い 一 致 を 示 す 。
GEOTAIL Spaceraft.
(Launch date: 1992.7.24)
First waveform observations of the BEN (Top),NEN (Middle),
and Modulated Electron Plasma/Cycrotron Waves (Bottom)
の 普 及 に よ って 、再 び 通 信 の 分 野 で も電 波 が 見 直 さ れ て い る。 電 波 科 学 は宇 宙 時 代 に入 っ た現 在 、電 波 ・光 計 測 技 術 、 ア ンテ ナ 技 術 、 電 波 伝 播 、 電 波 ・光 デ バ イ ス、 リモ ー トセ ン シ ング理 工 学 、 電 離 圏 ・磁気 圏 物 理 学 、 宇 宙 電 波 科 学 、 プ ラ ズ マ波 動 学 、 電 波 天 文 学 、生 体電 磁 波 科 学 な ど大 きな研 究 領 域 の広 が りを 見 せ て い る。
宇 宙 電 波 科 学(Space Radio Science)はURSIの 大 きな 分 野 の 一 つ で あ り、筆 者 の専 門 分 野 で あ る。 この 道 に踏 み 込 ん だ の は 、京 都 大 学 の 学 生 の 折 り、 恩 師 前 田 憲 一 教 授 が電 離 層 電 波 伝 搬 、宇 宙 空 間 プ ラ ズ マ物 理 学 研 究 の世 界 的 権 威 で あ る こ とな ど露 知 ら ず 、 前 田 門 下 に 加 えて い た だ い た こ とが 始 ま りで 、 ま った くの 偶 然 で あ る。 こ こで も 「学 問 と は真 実 を め ぐ る人 間 関係 で あ る」とい うこ とを今 、感 じてい る。 宇 宙 電 波 科 学 は間 口 が 広 く、 電 波 工 学 、 通 信 工 学 、宇 宙 空 間物 理 学 、電 離 圏 ・磁 気 圏物 理 学 、宇 宙 工 学 、 プ ラ ズマ物 理 学 な ど を ガ ラ ガ ラポ ン と した よ うな 分 野 で あ る。 した が って 、電 子 工 学 分 野 、地 球 物 理 学 分 野 、宇 宙 科 学 分 野 、宇 宙 工 学 分野 、物 理 学 分 野 の どれ と も関係 が あ り、 理 工 学 に わ た る広 い 知 識 と ヒュ ー マ ン ネ ッ トワ ー ク、 国 際 ネ ッ トワ ー クが 重 要 な役 割 を 占 め る分 野 とい え よ う。 筆 者 の 限 られ た経 験 に 基 づ い て 、宇 宙 電 波 科 学 の 分 野 で 学 術 ・技 術 の 国 際 ネ ッ トワー ク が果 た した役 割 を紹 介 させ て い た だ くこ と に した い 。 日 常 化 し て い る ネ ッ ト ワ ー ク 上 の 研 究 筆者 の研 究 上 の夢 は 、宇 宙 電 波 工 学 、宇 宙 電 波 科 学 の研 究 ・開 発 を通 して太 陽 系 文 明 へ の 足 が か り を構 築 す る こ とで あ る。 宇 宙(space)へ の 進 出 、 「宇 宙 開 拓 」こそ が 、地 球 環 境 問 題 、 資 源 ・エ ネル ギ ー 問 題 の根 本 的 解 決 に繋 が り、 わ れ わ れ に とって か け が え の な い 母 星 『地 球 』を リザ ー ブ して お く こ と が で きる と信 ず るか らで あ る。その た め に は、プ ラズ マ力 学 が支 配 的 な地 球 周 辺 の宇 宙 空 間 の 状 態 、 そ こで 起 こ っ て い る現 象 を理 解 す る こ と が まず 肝 要 で あ る。 それ に は 、 ロ ケ ッ ト・科 学 衛 星 に よ る電 波 探 査 、 電 波 現 象 の観 測 、 実験 と その 結 果 を十 分 に 説 明 で き
図2 EOTAIL観 測 結 果 と 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョン 結 果 の 比 較 。非 常 に よ い一 致 を示 す 。
BEN Observetions With GEOTAIL PWI and Computer Experiments
of Electrostatic Solitary Waves (ESW)
る理 論 的 解 析 が要 求 され る。理 論 的 解 析 とい っ て も、現 象 の ほ と ん ど は プ ラズ マ非 線 形 性 が支 配 す る た め に、 計 算 機 シ ミュ レー シ ョン が主 役 を演 ず る世 界 で あ る。 科 学 衛 星 に よ る宇 宙 空 間 の観 測 と して 、 国際 太 陽 地 球 系 物 理 学(ISTP)計 画 国 際 共 同観 測 事 業 の一 環 と して 打 ち上 げ られ た文 部 省 の宇 宙 科 学 研 究 所 の GEOTAIL衛 星 に プ ラズ マ 波 動 観 測(PWI)の 主 任 研 究 員(PI)と して参 加 させ て も らっ た 。 図1の 左 は その衛 星 の外 観 を示 す 。 GEOTAILの 主 目的 は 、 同 時 期 に打 ち上 げ られ た 諸 外 国 の 科 学 衛 星 群 と協 力 して 、 地 球 周 辺 の宇 宙 空 間 に ネ ッ トワ ー ク を張 り、太 陽風 か ら地 球 磁 気 圏 へ の エ ネル ギ ー と運 動 量 の流 入機 構 の 研 究 お よび地 球 周 辺 空 間 の環 境 計 測 を行 う ことで あ る。 衛 星 は 日本 が 製 作 し、打 ち上 げ は米 国 が行 うと い う 日米 共 同 の 科 学衛 星 事 業 と して大 成 功 を収 め た。 設 計 段 階 か ら 日米 の 研 究 者 が頻 繁 に往 来 し、 と き に は激 論 を闘 わ せ た 。 筆 者 の プ ラズ マ波 動 観 測 機 の 設 計 、衛 星 の電 磁 環 境 の 改 善 に共 同 研 究 者 で あ っ た米 国 の 故Scarf 博 士 との 議 論 が大 い に役 立 っ た。 関 係 す る若 手 研 究 者 に と って も打 ち上 げ前 の 各種 試 験 、打 ち上 げ後 の デ ー タ解 析 を通 じて有 意 義 な国 際 交 流 が経 験 で きた はず で あ る。 今 で は コ ン ピ ュ ー タネ ッ トワー ク の普 及 と も相 ま っ て 、 この分 野 の 国 際 研 究 ネ ッ トワー ク 上 の 研 究 は 日常 化 して い る。 図1の 右 はGEOTAIL-PWIの 成 果 の 一 つ で あ る 静 電 孤 立 波 な どの非 線 形 波 形 を示 す 。 トップパ ネル はGEOTAILが 世 界 に先 駆 け発 見 したESWと 名 づ けた 静 電孤 立 波 を示 す 。 筆 者 らは この 観 測 的 発 見 と 同 時 に、 長 年 開発 して きた プ ラズ マ 解 析 用 電 磁 粒 子 コ ー ド(KEMPOコ ー ド)によ る計 算 機 シ ミュ レー シ ョン を実 行 した 。 図2は 観 測 とシ ミュ レー シ ョンの 比 較 を示 す 。上 二 段 が観 測 ス ペ ク トル と その波 形 、下 二 段 が シ ミュ レー シ ョンで 再 現 され た波 形 と それ らに対 応 す る電 子 の位 相 ダ イ ア グ ラ ム を示 す 。 電 子 バ ブ ル がESW に対 応 して い る こ とが 明 らか に示 され て い る。 この 静 電 孤 立 波(ESW)は 、高 速 電 子 ビ ー ムの作 り出 す バ ブル の作 り出 す 一 つ の非 線 形 安 定 状 態 で あ る こ と
特集
学術 研究 の国 際 ネットワーク
図3 宇 宙 太 陽 発 電 所 の イ メ ー ジ 図
SPS (Solar Power Station) (Artists impression).
(10GW class)
を明 らか に し、大 きな評 価 を得 、諸 外 国 で 類 似 の 観 測 が追 認 され 、 シ ミュ レー シ ョン も多 く行 わ れ る よ うに な った 。 計 算 機 シ ミュ レー シ ョンは 今 で こ そ、 理 論 研 究 の 重 要 な 道 具 と して の 地位 を確 立 したが 、 筆 者 らは ま だ 、 大型 計 算 機 が今 の パ ソ コ ンに も劣 る性 能 だ っ た 30年 前 に故 大 林 辰 三 教 授 の 勧 め で 、現 在 核 融 合 科 学 研 究 所 で シ ミュ レ ー シ ョン指 導 者 と して 活 躍 中 の 佐 藤 哲 也 教 授 と と も に、 京 都大 学 で 宇 宙 プ ラズ マ現 象 の シ ミュ レー シ ョン研 究 に着 手 した。 シ ミュ レ ー シ ョン は コー ドの 計 算 基 礎 や 関 係 す る 物 理 の 理 解 な しで も他 人 の 開 発 した コ ー ドを使 えば 結 果 は 得 られ る が、 大 きな 過 ちに 陥 る危 険 性 を孕 ん で い る。 それ を避 け る ため に国 際 学 術 ネ ッ トワ ー ク を通 した国 際 的教 育 がぜ ひ 必 要 と考 え 、 日米 仏 の研 究 者 と と もに 「国 際 宇 宙 空 間 シ ミュ レー シ ョン学校 (ISSS)」 を立 ち上 げ 、 これ まで5回 、 日米 仏 で 開 催 し、 その うち3回 を京 都 で 開 催 した 。 毎 回 、 講 師 と 150名 程 度 の 学 生 、 若 手 研 究 者 を諸 外 国 か ら招 き、 教 育 して きた 。 い まで はISSSを 経 験 した研 究 者 が 数 多 く宇 宙 空 間 物 理 学 、 天 文 学 、 地 球 物 理 学 分 野 で 活 躍 して い る 。 ま こ と に嬉 しい限 りで 、 や は り 「学 問 と は真 実 を め ぐ る人 間 関 係 で あ る」とい うこ とを体 験 させ て も らっ た 。第6回ISSSは ドイ ツで 開催 され る予 定 で あ る。 自 立 し た 技 術 ・学 術 の 必 要 性 宇 宙 開拓 に は 、 まず 学術 的 探 査 、理 解 が 必要 で あ り、つ い で 人類 の生 活 水 準 ・福 祉 向 上 に役 立 つ 応 用 技 術 開 発 が続 く。 出 身 が電 子 工 学 の 筆 者 はや は り後 者 の研 究 開 発 に 対 す る興 味 に 抗 しきれ ず 、上 記 の 理 学 的研 究 と並 行 して 「宇 宙 太 陽 発 電 所(SPS)」(図3)に 興 味 を抱 き、 そ の 中 で重 要 な マ イ ク ロ波 送 電 技 術 の 開 発 に着 手 し た 。最 初 はマ イ ク ロ波 電 力 ビー ム が宇 宙 プ ラズ マ 中 を透 過 す る際 の 電 離 層 の 非 線 形 応 答 に興 味 を抱 き 、 図4に 示 す よ うな ロ ケ ッ ト実 験MINIXを1983年 に 成 功 させ た 。 この と き はす で にNASAで はSPS研 究 が 下 火 と な って お り、将 来 国 際 プ ロ ジ ェ ク トとな る図4 MINIXロ ケ ッ ト実 験 。 マ イ ク ロ 波 電 力 ビ ー ム を 電 離 層 中 で 発 射 。 宇 宙 プ ラ ズ マ の非 線形 応 答 を観 測 。
MINIX Rocket Experiment (1983)
SPS計 画 に わ が 国 が 「下 請 け参 加 」 に な らな い た め に 、 自立 した研 究 ・技 術 開 発 を して お く絶 好 の 機 会 と考 え たか らで あ る。MINIXは 世 界 で最 初 の 宇 宙 空 間 中 の実験 で 、学 術 上 も技 術 上 も新 しい知 見 が 多 く得 られ た 。 ロ ケ ッ ト実験 に続 い て 地 上 の マ イ ク ロ波 送 電 技 術 開 発 に着 手 し、 わ が 国 の ほ か の研 究 者 ら との ネ ッ ト ワ ー ク を広 げ 、 フ ェ イズ ドア レ イ に よ るマ イ ク ロ波 飛 行 機 実 験MILAX、 電 力 ビ ー ム制 御 、 受 電 用 マ イ ク ロ波-DC変 換 素 子 レク テ ナの 開 発 な ど を進 め 、 COE設 備 と して マ イ ク ロ波 エ ネル ギ ー伝 送 実 験 装 置(METLAB)を 文 部 省 に導 入 して い た だ き、現 在 、 大 学 内 外 の 多 くの 研 究 者 がMETLABを 利 用 した研 究 を進 め て い る。 海 外 か ら も見学 、共 同研 究 の 申 し 込 み が あ り、 国 際 的 ネ ッ トワ ー ク がで きつ つ あ る。 MINIXと それ に続 くわ が 国 の 研 究 は諸 外 国 に も 刺 激 を与 え、 その 後 、 カ ナ ダが マ イ ク ロ波 飛 行機 の 実 験 を行 い 、1997年 か らは米 国 も新 型SPSの 研 究 を再 開 す る こ と とな った 。 これ らの 経 験 を通 して 強 く感 ず る と ころ は 、 自 分 た ち 自 身 が 自立 した技 術 、学 術 を持 た な けれ ば 国 際 的 に も国 内 的 に も ネ ッ トワ ー ク が形 成 で き ない し、 で き上 が っ た ネ ッ トワ ー ク に参 加 す る際 に も確 固 と した対 等 の立 場 が 確 保 で きな い と い う こ とで あ る。 確 か に 「学 問 は真 実 をめ ぐ る人 間 関 係 で あ る」 に は 違 い な い が 、 己 れ を確 立 す る こ と が その 基 本 に あ る よ うに思 えて な らな い 。 しか し、 最 近 は 「評 価!評 価!評 価!」 と騒 が れ 、 自 己点 検 や外 部 評 価 委 員 会 の た め の 資料 作 りや 競 争 的研 究 経 費 申請 な ど に時 間 を大 幅 に取 られ 、 日 常 の 中 で研 究 に没 頭 で き る時 間 が どん どん 奪 わ れ て い る現 状 で あ る。 これ で は若 手 研 究 者 は 自己 確 立 の 時 間 も少 な く、 か わ い そ うで あ る。有 能 な才 能 を逆 に殺 して い る場 合 が 多 い 。 自身 の 経 験 で は研 究 成 果 な ど気 にせ ず 「ボ ー っ と」 あれ これ 思 案 の で き る時 間 の あ っ た二 、 三十 年 前 の 方 が 、研 究 が一 気 に進 ん だ よ うな気 が して な らな い 。 大 学 の 研 究 で は、 どん な と ころ か ら何 が 出 て くる か わ か らな い とい う楽 し み を残 す こ と も肝 要 で は あ る まい か 。
特集
学術 研 究 の 国際 ネットワーク
参 考 文 献
1. T.B.A. Senior, A brief history of URSI, Radio Science Bulletin, No.286, 11-14, 1998.
2. H. Matsumoto, H. Kojima, Y. Omura and I. Nagano, Plasma waves in geospace: GEOTAIL observation, "New Perspectives on the Earth's Magnetotail", Geophysical Monograph 105, American Geophys. Union, 259-319, 1998.
3. H. Matsumoto and Y. Omura, Particle simulation of elelctromagnetic waves and its applications to space plasmas, "Computer Simulation of Space Plasma"
, Terra-Pub. Co., 43-102, 1984.
4. P.E. Glaser, Power from the Sun: its future, Science, vol.162, 857, 1968.
5. H. Matsumoto, Microwave power transmission from space and related nonlinear plasma effects, Proceedings of Space and Radio Science Symposium-75th URSI Anniversary, 155-190, 1995, and Radio Science Bulletin, No.273, 11-35, 1995. 6. H. Matsumoto, Numerical estimation of SPS microwave impact
on ionospheric environment, Acta Astronautica, vol.9, 493-497, 1982.
7. H. Matsumoto, N. Kaya and M. Nagatomo, Microwave energy transmission experiment, Space Power, vol.9, 113-130, 1990.
松 本 紘(ま つ も と ひろ し 1942年 生) 京 都大 学超 高 層電 波研 究 セ ンター教 授 、同 前 セン ター長 、文部 省 宇宙科 学研 究 所太 陽系 プ ラズ マ系客 員教 授 、郵政 省通 信総 合研 究 所 客 員 研 究 官 、 中 国 武 漢 大 学 客 座 教 授 、 国 際 電 波 科 学 連 合 (URSI)会 長 、地球 電磁 気 ・地 球惑 星 圏学会 会長 、米 国地 球物 理 学 会 運営 委員 、同 、専 門誌JGR Editor、宇 宙科 学研 究所 運営 協議 員 、名古屋 大 学太 陽地 球環 境研 究所 運 営協議 員 、宇宙 開発 委 員会 計 画調 整部 会専 門委 員 、文 部省 学術 審議 会宇 宙科学 部会 専 門委員 、 同WG座 長 、 国 際 宇 宙 空 間 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン学 校 組 織 委 員 長 、 AGU Fellow, IEEE Senior member、 田 中館 賞 、志 田林 三郎 賞 、
NASA科 学 衛星 グルー プ賞 。
専 門:宇 宙電 波工学 、宇 宙 プラ ズマ物理 学 、マ イ クロ波電 力伝送 、 宇宙 プ ラズ マ計 算機 シ ミュ レー シ ョン。 約200編 の論 文 、5冊 の 著 ・編 書 。
