| Project/Area Number |
21K18315
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
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| Research Institution | National Institute of Polar Research |
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Principal Investigator |
江尻 省 国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (80391077)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桂川 眞幸 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (10251711)
中村 卓司 国立極地研究所, 研究教育系, 教授 (40217857)
津田 卓雄 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (90444421)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000)
Fiscal Year 2021: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
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| Keywords | 原子・イオン共鳴散乱ライダー観測 / 大気圏・電離圏結合 / 鉛直輸送 / 二波長同時発振レーザー / カルシウム原子・イオン |
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| Outline of Research at the Start |
地球と宇宙の境界領域（高度80-150 km）は、大気が中性大気から電離大気（プラズマ）に変化する地球大気の遷移領域である。しかし、中性大気とプラズマ共に観測手段が限られており、同時観測が困難であるため、化学変化を伴うこの領域の物質輸送は本質的に未解明である。本研究では、この遷移領域において同一空間の中性原子とイオンの密度高度分布を同時に観測可能な世界初の原子・イオン共鳴散乱ライダーを開発し、地球と宇宙をつなぐ物質の鉛直輸送過程を解明することを目的とする。この観測的なブレークスルーを実現することで、中性大気とプラズマ大気を一体として扱う新しい環境計測の研究領域を切り拓く。
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球と宇宙の境界領域（高度80-150 km）は、大気が中性大気から電離大気（プラズマ）に変化する地球大気の遷移領域である。しかし、中性大気とプラズマ共に観測手段が限られており、同時観測が困難であるため、化学変化を伴うこの領域の物質輸送は本質的に未解明である。本研究では、この遷移領域において同一空間の中性原子とイオンの密度高度分布を同時に観測可能な原子・イオン共鳴散乱ライダーを開発し、地球と宇宙をつなぐ物質の鉛直輸送過程を解明することを目的としている。
ライダーシステム開発では、種レーザーの発振波長を制御する波長計の絶対精度を向上させるための参照光源の改良を引き続き進めると共に、レーザー波長を数百MHzずつシフトさせて共鳴散乱線をスキャンする観測を行って、送信レーザーが共鳴散乱線に正しく同調していることを確認した。また、観測高度を約500 kmまで広げて、熱圏のイオンの挙動を探る観測も開始した。送信レーザー開発では、カルシウムイオン（Ca+）の共鳴散乱線（393.5 nm）とカルシウム原子の共鳴散乱線（422.8 nm）の二波長レーザー発振の安定性や波長同調精度の向上、高出力化、外乱により送信システムが予期せずダウンした際の自動復帰機構の構築を行った。これにより高い出力での長時間連続観測を可能にし、ついに二波長レーザー発振によるCaとCa+の完全同時観測に成功した。この観測結果については、現在、化学反応による密度変化も考慮して解析を進めている。また、Ca+の層構造とその時間変化は、日本上空で突発的に発生し短波通信に異常をきたすことが知られているスポラディックE（Es）層と強くリンクしているので、Es層に注目した研究集会を開催し、Es層の時間変化や空間的な広がりについて関連研究者と情報交換を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和6年度は、送信レーザー開発では、電気通信大学の桂川眞幸教授と大学院生（研究協力者）が主体となって開発しているチタンサファイア（Ti:s）レーザーをベースにした二波長同時発振・注入同期固体レーザーで、カルシウムイオン（Ca+）の共鳴散乱線（393.5 nm）と、カルシウム原子（Ca）の共鳴散乱線（422.8 nm）の二波長レーザー発振を高い出力で長時間継続させることに成功した。これにより一晩のCaとCa+の完全時同時観測がついに実現した。今のところ一晩観測を維持するにはまだ人の手による調整が必要であるため、二波長レーザー発振を一晩中継続するにはレーザーの安定度をさらに向上させる必要がある。
共鳴散乱ライダー観測では、送信レーザーの波長が正確に共鳴散乱波長と一致している必要がある。レーザーの発振波長制御に用いている波長計の絶対精度を高めるために、波長計校正用の参照光源をカリウム原子の飽和吸収線（Doppler-free）の一つに固定（ロック）することを試みていたが、カリウム原子のDoppler-freeの強度が弱く、波長ロックが安定しないことが課題だった。現在、カリウム原子に代えてルビジウム原子のDoppler-freeを利用することを試みている。また、受信信号を積算するトランジェントレコーダーに原因不明の不具合が発生することがあり、これも連続観測の障害になっている。原因を探ると共に、システムの一部更新を含む不具合対策を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和7年度は、送信レーザーの二波長同時発振時の安定性のさらなる向上と、波長計の絶対精度の改善を進め、CaとCa+の完全同時観測に取り組む。現在、送受信系共に動作の安定性向上が必要である。送信レーザーについては励起光源であるNd:YAGレーザーの不安定動作による中断も頻発しているため、原因を探りながら、フラッシュランプ動作や冷却水循環の点検・保守作業を適宜行っている。受信系はデータ収録系の一部更新を行うことで不安定動作の解消を試みる。波長計の絶対精度については、参照光の波長をルビジウム原子のDoppler-freeを利用して校正することで改善させる。共鳴散乱ライダーシステムとしての動作確認、観測ソフトウェアやデータ収録系の改良も行いながらCaとCa＋の完全同時観測データを蓄積する。金属原子・イオン共鳴散乱ライダーシステムによる観測の結果について、国内外の学会・研究会で成果報告を行う。
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