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

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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

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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。

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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

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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

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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

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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53.750MHz 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

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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

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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。 図5 30 号館屋上に設置されている受信アンテナ

3-2 受信機

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。

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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 8

4-2 大きな流星と思われるエコー

図9 図 10

10

4-3 非常に大きな流星と思われるエコー

図11 図 12

4-4 航空機に反射したものと思われるエコー

図13 図 14

11

4-5 スポラディック E 層の発生によるエコー

図15 図 16

4-6 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

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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

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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。 図20 6 月の流星活動 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ec h oes dates

Radio Meteor Observation---Observed Result ( June 1 - June 30 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA)

Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes

14 図21 7 月の流星活動 図22 8 月の流星活動 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 ec h oes dates

Radio Meteor Observation---Observed Result ( July 1 - July 31 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA)

Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 ec h oes dates

Radio Meteor Observation---Observed Result ( August 1 - August 31 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA)

Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes

15 図23 9 月の流星活動 図24 10 月の流星活動 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ec h oes dates

Radio Meteor Observation---Observed Result ( September 1 - September 30 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA)

Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 ec h oes dates

Radio Meteor Observation---Observed Result ( October 1 - October 31 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA)

Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes

16 図25 11 月の流星活動 図26 12 月の流星活動 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ec h oes dates

Radio Meteor Observation---Observed Result ( November 1 - November 30 ) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA)

Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 ec h oes dates

Radio Meteor Observation---Observed Result (December 1 - December 31) University of Meisei,JAPAN (Kiryu HARA)

Long echoes 10s over Long echoes 20s over All echoes

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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。 図27 6 月の流星消滅時間 0.01 0.1 1 10 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ec h oes

lost time (second)

18 図28 8 月の流星消滅時間 図29 9 月の流星消滅時間 0.01 0.1 1 10 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ec h oes

lost time (second)

August 2017

0.01 0.1 1 10 100 0 5 10 15 20 ec h oes

lost time (second)

19 図30 10 月の流星消滅時間 0.01 0.1 1 10 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ec h oes

lost time (second)

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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。 図31 ロングエコーのみの流星数 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 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 lon g ec h oes dates June - December 2017 うしかい座流星 群 みずがめ座δ流星群 ペルセウス座流星群 オリオン座流星群 しし座流星群 ふたご座流星群 おひつじ座流星群

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。 図32 ロングエコーを除いた流星数 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 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 ot h er t h an lon g ec h oes dates June - December 2017 うしかい座流星群 みずがめ座δ流星群 ペルセウス座流星群 オリオン座流星群 しし座流星群 ふたご座流星群 おひつじ座流星群

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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。 図33 6 月から 12 月までの時間別平均流星数 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 ec h oes time (hour)

June-December 2017

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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 ㎞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。

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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。

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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。

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8 参考文献

・流星電波観測国際プロジェクト http://www.amro-net.jp/hro_index.htm ・国立天文台（NAOJ） https://www.nao.ac.jp/ ・宇宙航空研究開発機構（JAXA） http://www.jaxa.jp/ ・AstroArts http://www.astroarts.co.jp/index-j.html ・Tanikawa Plan-net http://userweb.mmtr.or.jp/tanikawa/index.htm ・flightradar24 https://www.flightradar24.com/36.17,136.97/8

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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。