| Project/Area Number |
23H00513
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
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| Research Institution | Miyagi University of Education |
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Principal Investigator |
菅原 敏 宮城教育大学, 教育学部, 教授 (80282151)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梅澤 拓 国立研究開発法人国立環境研究所, 地球システム領域, 主任研究員 (00570508)
後藤 大輔 国立極地研究所, 先端研究推進系, 助教 (10626386)
森本 真司 東北大学, 理学研究科, 教授 (30270424)
豊田 栄 東京科学大学, 物質理工学院, 准教授 (30313357)
石戸谷 重之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (70374907)
丹羽 洋介 国立研究開発法人国立環境研究所, 地球システム領域, 主幹研究員 (70588318)
石島 健太郎 気象庁気象研究所, 気候・環境研究部, 主任研究官 (90399494)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥46,800,000 (Direct Cost: ¥36,000,000、Indirect Cost: ¥10,800,000)
Fiscal Year 2026: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
Fiscal Year 2025: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2024: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
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| Keywords | 成層圏大気年齢 / 重力分離 / ブリューワー・ドブソン循環 / 成層圏大気サンプリング / 成層圏 / 多成分 / 大気年齢 / ブリューワードブンソン循環 / 大気の重力分離 / 大気の平均年齢 / 成層圏大気の年齢 |
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| Outline of Research at the Start |
大気球を用いた日本上空の成層圏大気直接採取実験を実施し、多種の気体成分の濃度や同位体の成層圏における鉛直分布を明らかにする。さらに、過去の成層圏大気試料の分析を行い、新たな気球実験で得られる最新の大気試料の解析結果を組み合わせ、長期データセットを構築する。複数の気体成分から成層圏大気の年齢の変動を明らかにするとともに、成層圏大気組成の重力分離の長期変化を高精度で推定し、数値モデルと組み合わせることで、複数の手法によって成層圏の大循環の長期変化を評価する。また、メタンと一酸化二窒素の濃度および同位体の変動と大気年齢や重力分離の解析から、それらの消滅反応の長期変化を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
新たに成層圏大気のサンプルを採取するために、７月に大気球実験を実施した。このための観測機器等の準備作業は順調に進み、気球および観測ゴンドラの最終動作確認も問題なくクリアされた。しかし、気象条件の不適合により気球実験を実施することができず、令和７年度に再度実験を実施することにした。これにより令和６年度には新たな成層圏大気サンプルは得られなかったため、主に、過去の実験によって採取され保存されているアーカイブ空気の分析を中心に研究を進めた。特に、成層圏の二酸化炭素の炭素同位体比の１９８５年から２０２０年までの３５年間の長期レコードを明らかにした。これまで炭素同位体比の鉛直分布や変動のメカニズムは解明されていなかったが、本研究により、成層圏におけるメタンの酸化による二酸化炭素の生成と、重力分離による同位体の分別によってその鉛直分布が説明できることを発見した。さらに、両者の効果を補正することによって、成層圏大気年齢を推定できることを示した。この研究成果は国際雑誌に投稿し、プレプリントとして公開された。また、２０２０年に採取された成層圏大気サンプルを用いたハロカーボン類の分析結果から大気年齢を推定した。この結果は国際雑誌に投稿された。成層圏の重力分離を検出できる成分の一つでもある大気中酸素同位体比を、対流圏内において長期モニタリングすることによって、その日変化、季節変化、経年変化が明らかにされた。酸素同位体比が大気と海洋の間で大きく異なる現象は、ドール・森田効果として知られているが、成層圏における光化学過程と、対流圏－成層圏間の大気交換に伴って、成層圏が対流圏大気の酸素同位体比を低くする効果を持つことを明らかにした。また、成層圏の重力分離が対流圏の酸素同位体比の変動に影響する可能性について議論した。この成果は国際雑誌に投稿された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究初年度である令和５年度は、令和６年度７月の大気球実験の実施を目指し、主に気球搭載型の観測システムの構築と実験準備作業を中心に進め、順調な成果が得られた。観測システムの新しい制御回路を設計・製作し、十分な信頼性があることを確認した。令和６年度の１１月には大気球シンポジウムにて、観測システム構築の進捗状況を報告した。審査の結果、本実験は令和６年度国内実験として採択され、優先度が最も高いと評価を得た。気球実験に用いる冷媒（液体ヘリウム）などの調達を進め、令和６年度夏に気球実験に臨んだものの、実験期間である夏季の気象条件の不適合により放球には至らなかったため、令和６年度の気球実験は実施できなかった。しかし、この気球実験は再度令和７年度の夏季に実施する予定であり、観測機器の準備もほぼ完了している。令和６年度は最新の成層圏大気サンプルの取得ができなかったものの、本研究のもう一つの柱である、過去の実験によって採取されているアーカイブ空気の分析を進めることによって研究成果を創出しており、概ね研究は順調に進展している。特に、ハロカーボン類の濃度、重力分離の指標となる大気主成分の同位体比と成分比、希ガスの同位体比と成分比、二酸化炭素の同位体比、SF6濃度などの分析が進展した。このうち、ハロカーボン類の濃度からは成層圏大気年齢の推定を行い、二酸化炭素や六フッ化硫黄濃度による大気年齢と比較し、検討した。その成果を論文としてまとめ、すでに国際誌に投稿している。また、二酸化炭素の同位体比は日本における気球観測の全期間である３５年間について、長期レコードが完成し、さらに、アーカイブ空気を用いた重力分離成分、六フッ化硫黄濃度、希ガス同位体比と成分比の分析を進めており、順次成果をまとめる段階にある。モデルを用いた二酸化炭素やメタンのインバージョンの研究も進展し、その成果は国際学会などで発表された。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に順延された気球実験に関して、観測機器の再準備や冷媒の調達を進める。昨年度の気象条件の不適合による延期を受けて、今年度は少ない放球機会を逃さないようにサンプリングの方法を見直して臨む。最高高度でのサンプル量を減らすことで気球放球の可能性を優先させることを検討し、宇宙科学研究所気球グループと綿密な打ち合わせを行う。また、過去の成層圏の風の再解析データや、準リアルタイムで公開される予報モデルの結果を解析し、気球の飛翔経路の傾向と予測を行う。実験が実施され、新たな成層圏大気サンプルを得たのちは、サンプルを各研究機関に配分し、多種類の気体成分の濃度、同位体比、成分比などの高精度分析を行う。特に、ごくわずかな成分の分別が大気主成分や希ガスの分析に大きな影響を与えるため、それぞれの分析時のサンプル分取の方法をこれまでよりも厳密化し、温度、圧力、バルブの開閉操作、などを管理する。国立極地研究所との協同により、成層圏における希ガスの同位体および成分比の観測結果をまとめ、従来の重力分離に加えて、分子運動論的分別の概念を軸に解析を進める。アーカイブ空気を用いた六フッ化硫黄とハロカーボン類の分析をさらに進展させ、平均年齢の推定とその不確定さの総合的な検討を行う。さらに、数値モデルによる重力分離と分子運動論的分別の再現実験を行い、成層圏の平均子午面循環との関係を明らかにする。これまでの２次元モデルに加えて、３次元モデルによる再現実験を行い、気球観測の日時と場所における結果と直接比較する。二酸化炭素やメタンのインバージョン計算では、これまで主に地表フラックスの推定が行われてきたが、今後、成層圏での気球実験の観測結果との比較なども進めることで、モデルの束縛条件の可能性を検討する。
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