火星大気における水環境進化理解のための観測的実証研究

• Project Area: Aqua planetology
• Project/Area Number: 20H04605
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 中川 広務 東北大学, 理学研究科, 助教 (30463772)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 火星 / 水 / オーロラ / 太陽高エネルギー粒子 / 大気 / 進化 / 水環境進化 / ハビタブル / RSL / 太陽放射線 / 水循環 / 観測

Outline of Research at the Start

水をたたえたハビタブル惑星から寒冷乾燥した惑星へと変遷を経た火星. このような気候変動を理解することは地球型惑星の水環境進化の解明に本質的であるが, 宇宙空間へ流出および地下へ取り込まれた水の定量的な見積もりやそのメカニズムはわかっていない. 本研究の目的は, ハビタブル環境の持続性つまり火星における水環境進化の理解に向けて, 現在の火星における水・物質循環の観測的実証である. 散逸大気の源となる超高層大気が, 太陽変動・下層大気により変動する様子を明らかにし, それらが過去40億年にわたり火星の気候変動にどのように影響を及ぼしてきたのかを理解する.

Outline of Annual Research Achievements

水をたたえたハビタブル惑星から寒冷乾燥した惑星へと変遷を経た火星。このような気候変動を理解することは地球型惑星の水環境進化の解明に本質的であるが、宇宙空間へ流出および地下へ取り込まれた水の定量的な見積もりやそのメカニズムはわかっていない。 計画Aでは、地下水圏/表層水と大気との水のやりとりを計画、Bでは 水の新たな高速散逸プロセスが水環境進化に与える影響を定量的に評価すること、計画Cでは大気深部にまで達する太陽放射線とそれに伴うオーロラ現象が水環境・大気組成に与える影響を定量的 に評価することを目指した。計画Aでは、大気大循環モデルを用いた詳しい数値実験を行った結果、斜面上に現れる暗い筋模様(RSL)からの水漏出に代表される地下水圏/表層と大気との水やりとりを捉えるための観測必要精度を規定することができた。計画Bでは、最新探査機データを解析することにより、ダストストーム時・近日点付近においてダスト加熱による大気膨張・ハイグロポーズ消失・大気循環強化・乱流活動増大により水の新たな高速散逸パスが形成される様子や散逸大気組成が変動する様子を明らかにした。計画Cでは、太陽高エネルギー粒子降り込みに伴うオーロラ発光を再現することに成功し、数MeVの陽子が重要な役割を果たしていることが明らかとなった。同時に地球同様HOxによるオゾン破壊が火星でも起こりうることを示唆し、必要な観測精度を検証した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロラド大学/ヴァージニア大学/アリゾナ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ベルギー王立宇宙航空研究所(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] LATMOS/CNES/LESIA, Paris Observatory(フランス)
• [Int'l Joint Research] コロラド大学/ハワイ大学/アリゾナ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] LATMOS(フランス)
• [Journal Article] Can we constrain the origin of Mars' recurring slope lineae using atmospheric observations? (2022)
  • Author(s): Kurokawa Hiroyuki、Kuroda Takeshi、Aoki Shohei、Nakagawa Hiromu
  • Journal Title: Icarus Volume: 371 Pages: 114688-114688
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114688
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Martian moons exploration MMX: sample return mission to Phobos elucidating formation processes of habitable planets (2022)
  • Author(s): Kuramoto Kiyoshi et al.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 74 Issue: 1 Pages: 12-12
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01545-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Mars system revealed by the Martian Moons eXploration mission (2022)
  • Author(s): Ogohara Kazunori、Nakagawa Hiromu、Aoki Shohei et al.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 74 Issue: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01417-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mars’ atmospheric neon suggests volatile-rich primitive mantle (2021)
  • Author(s): Kurokawa Hiroyuki、Miura Yayoi N.、Sugita Seiji、Cho Yuichiro、Leblanc Francois、Terada Naoki、Nakagawa Hiromu
  • Journal Title: Icarus Volume: 370 Pages: 114685-114685
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114685
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Science operation plan of Phobos and Deimos from the MMX spacecraft (2021)
  • Author(s): Nakamura Tomoki、Ikeda Hitoshi、Kouyama Toru、Nakagawa Hiromu et al.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 73 Issue: 1 Pages: 227-227
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01546-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In situ observations of ions and magnetic field around Phobos: the mass spectrum analyzer (MSA) for the Martian Moons eXploration (MMX) mission (2021)
  • Author(s): Yokota Shoichiro、Terada Naoki、Matsuoka Ayako、Murata Naofumi、Saito Yoshifumi、Delcourt Dominique、Futaana Yoshifumi、Seki Kanako、Schaible Micah J.、Asamura Kazushi、Kasahara Satoshi、Nakagawa Hiromu、Nishino Masaki N.、Nomura Reiko、Keika Kunihiro、Harada Yuki、Imajo Shun
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 73 Issue: 1 Pages: 216-216
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01452-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] MIRS: an imaging spectrometer for the MMX mission (2021)
  • Author(s): Barucci Maria Antonietta、Reess Jean-Michel、Bernardi Pernelle、Doressoundiram Alain、Fornasier Sonia、Le Du Michel、Iwata Takahiro、Nakagawa Hiromu et al.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 73 Issue: 1 Pages: 211-211
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01423-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal and Dust‐Related Variations in the Dayside Thermospheric and Ionospheric Compositions of Mars Observed by MAVEN/NGIMS (2021)
  • Author(s): Yoshida Nao、Terada Naoki、Nakagawa Hiromu、Brain David A.、Sakai Shotaro、Nakamura Yuki、Benna Mehdi、Masunaga Kei
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Planets Volume: 126 Issue: 11
  • DOI: 10.1029/2021je006926
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A warm layer in the nightside mesosphere of Mars (2020)
  • Author(s): Nakagawa, H., S. K. Jain, N. M. Schneider, F. Montmessin, R. V. Yelle, F. Jiang, L. Verdier, T. Kuroda, N. Yoshida, H. Fujiwara, T. Imamura, N. Terada, K. Terada, K. Seki, H. Groller, and J. I. Deighan
  • Journal Title: Geophys. Res. Let. Volume: - Issue: 4 Pages: 47-57
  • DOI: 10.1029/2019gl085646
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vertical Propagation of Wave Perturbations in the Middle Atmosphere on Mars by MAVEN/IUVS (2020)
  • Author(s): Nakagawa Hiromu、Terada Naoki、Jain Sonal K.、Schneider Nicholas M.、Montmessin Franck、Yelle Roger V.、Jiang Fayu、Verdier Loic、England Scott L.、Seki Kanako、Fujiwara Hitoshi、Imamura Takeshi、Yoshida Nao、Kuroda Takeshi、Terada Kaori、Gr?ller Hannes、Deighan Justin、Jakosky Bruce M.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Planets Volume: 125 Issue: 9 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1029/2020je006481
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal and Latitudinal Variations of Dayside N 2 /CO 2 Ratio in the Martian Thermosphere Derived From MAVEN IUVS Observations (2020)
  • Author(s): Yoshida N.、Nakagawa H.、Terada N.、Evans J. S.、Schneider N. M.、Jain S. K.、Imamura T.、Chaufray J.‐Y.、Fujiwara H.、Deighan J.、Jakosky B. M.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Planets Volume: 125 Issue: 12 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1029/2020je006378
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design for stray-light reduction to a Martian ionospheric imager (2020)
  • Author(s): Hiromu Nakagawa, Atsushi Yamazaki, Keigo Enya, Naofumi Fujishiro, Naoki Terada, Kanako Seki
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 59 Issue: 32 Pages: 9937-9937
  • DOI: 10.1364/ao.401523
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 火星・金星微量大気の分光観測で目指す 物質輸送・化学プロセスの理解 (2022)
  • Author(s): 吉田奈央, 中川広務, 青木翔平, 寺田直樹, Severine Robert, Ann Carine Vandaele, TGO/NOMADチーム
  • Organizer: 惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] Variation of CO/CO2 profile in the Martian middle atmosphere observed by TGO/NOMAD (2021)
  • Author(s): 吉田 奈央、中川 広務、青木 翔平、Erwin Justin、Vandaele Ann Carine、村田 功、Thomas Ian、Frank Daerden、Lori Neary、小山 俊吾、寺田 直樹、笠羽 康正、Bojan Ristic、Manish Patel、Giancarlo Bellucci、Jose-Juan Lopez-Moreno
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] 火星熱圏密度中にみられる波状擾乱の年変動 (2021)
  • Author(s): 中川 広務、吉田 奈央、寺田 香織、寺田 直樹、原田 裕己、堺 正太朗、今村 剛、藤原 均、関 華奈子
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] Impacts of solar energetic particles at Mars: Global diffuse aurora and atmospheric chemistry (2021)
  • Author(s): 中村 勇貴、寺田 直樹、Leblanc Francois、中川 広務、堺 正太朗、晝場 清乃、片岡 龍峰、村瀬 清華
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Invited
• [Presentation] Modeling diffuse auroral emissions at Mars: Contribution of precipitating protons and mirror effects of crustal fields (2021)
  • Author(s): 中村 勇貴、寺田 直樹、Leblanc Francois、中川 広務、堺 正太朗、晝場 清乃、片岡 龍峰、村瀬 清華
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] 太陽高エネルギー粒子が火星オゾン大気に与える影響の評価 (2021)
  • Author(s): 晝場 清乃、中村 勇貴、中川 広務、寺田 直樹、堺 正太朗、村田 功、二穴 喜文
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] Modeling of SEP induced auroral emission at Mars: Contribution of precipitating protons and effects of crustal fields (2021)
  • Author(s): Yuki Nakamura, Naoki Terada, Francois Leblanc, Hiromu Nakagawa, Shotaro Sakai, Sayano Hiruba, Ryuho Kataoka and Kiyoka Murase
  • Organizer: EGU
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mesospheric response during 2018 planetary encircling dust event on Mars (2021)
  • Author(s): H. Nakagawa, S. Gupta, S. Jain, N. Schneider, J. Fayu, R. Yelle, L. Verdier, F. Montmessin; Tohoku Univ., Univ. Colorado, Univ. Arizona, LATMOS
  • Organizer: 惑星圏研究会
• [Presentation] リム観測による火星大気鉛直構造の解明を目指す新大気リトリーバル技術の検証 (2021)
  • Author(s): 小暮李成, 笠羽康正, 青木翔平, Arnaud Mahieux, 中川広務, 佐藤隆雄, 黒田剛史, 吉田奈央, 岩渕弘信, 出村裕英
  • Organizer: 惑星圏研究会
• [Presentation] Numerical prediction of changes in atmospheric compositions during SEP events at Mars (2021)
  • Author(s): Yuki Nakamura, Naoki Terada, Francois Leblanc, Ali Rahmati, Hiromu Nakagawa, Shotaro Sakai, Sayano Hiruba, Ryuho Kataoka, and Kiyoka Murase
  • Organizer: SGEPSS
• [Presentation] TGO/NOMADからリトリーバルした火星中間圏・下部熱圏の CO/CO2分布の変動 (2021)
  • Author(s): Yoshida, N., H. Nakagawa, S. Aoki, J. Erwin, A. C. Vandaele, I. Murata, I. Thomas, F. Daerden, L. Neary, L. Trompet, S. Koyama, N. Terada, Y. Kasaba, B. Ristic, M. Patel, G, Bellucci, and J. J. Lopez-Moreno
  • Organizer: SGEPSS
• [Presentation] リム観測による火星大気鉛直構造の解明を目指す新大気リトリーバル技術の検証 (2021)
  • Author(s): Risei Kogure, Shohei Aoki, Arnaud Mahieux, Hiromu Nakagawa, Takeshi Kuroda, Yasumasa Kasaba, Sato Takao, Nao Yoshida , Hirohide Demura
  • Organizer: SGEPSS
• [Presentation] 太陽高エネルギー粒子が火星オゾンに与える影響 (2021)
  • Author(s): Sayano Hiruba, Hiromu Nakagawa, Yuki Nakamura, Naoki Terada, Isao Murata, Shotaro Sakai and Yoshifumi Futaana
  • Organizer: SGEPSS
• [Presentation] 火星熱圏・電離圏にみら れる密度擾乱の励起源 (2021)
  • Author(s): 中川広務, Scott England, 吉田奈央, 堺正太朗, 原田裕己, Mehdi Benna, 寺田香織, 寺田直樹, 藤原均, 今村剛, 関華奈子
  • Organizer: SGEPSS
• [Presentation] 火星衛星探査計画MMXによる火星気象観測 (2021)
  • Author(s): 青木翔平, 中川広務, 小郷原一智, 今村剛, 神山徹, 今井正尭, 佐藤隆雄, 佐川英夫, 益永圭, 寺田直樹, 臼井寛裕, MMX火星圏サブサイエンスチーム
  • Organizer: 日本気象学会秋季大会
• [Presentation] 地球型惑星大気にみられる乱流拡散係数の多様性 (2021)
  • Author(s): H. Nakagawa, N. Yoshida, H. Fujiwara, N. Terada, T. Imamura, K. Seki, S. Aoki, Y. Kasaba
  • Organizer: 日本気象学会秋季大会
• [Presentation] 地球型惑星大気にみられる乱流拡散係数の多様性 (2021)
  • Author(s): H. Nakagawa, N. Yoshida, H. Fujiwara, N. Terada, T. Imamura, K. Seki, S. Aoki, Y. Kasaba
  • Organizer: 日本惑星科学会
• [Presentation] Influences of solar energetic particles on the Mar-tian ozone (2021)
  • Author(s): 晝場清乃,中川広務,中村勇貴,寺田直樹,堺正太朗,村田功,二穴喜文
  • Organizer: 日本惑星科学会
• [Presentation] Variation of CO/CO2 profiles in the Martian mesosphere and lower thermosphere retrieved from TGO/NOMAD (2021)
  • Author(s): Yoshida, N., H. Nakagawa, S. Aoki, J. Erwin, A. C. Vandaele, I. Murata, I. Thomas, F. Daerden, L. Neary, S. Koyama, N. Terada, Y. Kasaba, B. Ristic, M. Patel, G. Bellucci, and J.-J. Lopez Moreno
  • Organizer: EPSC
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modeling of diffuse auroral emission at Mars: Contribution of MeV protons (2021)
  • Author(s): Yuki Nakamura, Naoki Terada, Francois Leblanc, Ali Rahmati, Hiromu Nakagawa, Shotaro Sakai, Sayano Hiruba, Ryuho Kataoka and Kiyoka Murase
  • Organizer: AGU
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Day-night variation of O2/CO2 in Mars lower thermosphere (2020)
  • Author(s): Hiromu Nakagawa, Roger V Yelle, Fayu Jiang, Sonal Jain, Loic Verdier, Franck Montmessin, Nao Yoshida, Nicholas McCord Schneider, Francisco Gonzalez-Galindo, Naoki Terada, Hitoshi Fujiwara, Takeshi Imamura, Kaori Terada, Justin Deighan, Bruce Martin Jakosky
  • Organizer: AGU fall meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 米欧火星探査機群観測データによる新大気リトリーバル技術の検証 (2) ~欧 ExoMars Trace Gas Orbiter および 日 MMX への応用展開 準備~ (2020)
  • Author(s): 中川 広務, 笠羽 康正, 青木 翔平, Mahiaux Arnaud, 小暮 李成, 岩渕 弘信, 出村 裕英
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] Day-night variation of O2/CO2 in Mars lower thermosphere (2020)
  • Author(s): 中川 広務, 吉田 奈央, 寺田 直樹, 藤原均, 今村剛, 寺田香織, 関 華奈子, Schneider Nicholas M, Jain Sonal, Yelle Roger V, Montmessin Franck, Groller Hannes, Jakosky Bruce M
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第148回総会・講演会プログラム
• [Presentation] A warm layer in the nightside mesosphere of Mars (2020)
  • Author(s): 中川 広務, Jain Sonal, Schneider Nicholas, Montmessin Franck, Yelle Roger, Jiang Fayu, erdier Loic, 黒田 剛史, 吉田 奈央, 藤原 均, 今村 剛, 寺田 香織, 寺田 直樹, 関 華奈子, Groller Hannes, Deighan Justi
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] 中間赤外中空ファイバを用い たレーザーヘテロダイン分光器の 信号取得効率の評価 (2020)
  • Author(s): 塚田 悟輝, 中川 広務, 村田 功, 平原 靖大, 笠羽 康正, 片桐 崇史, 松浦 祐司, 宮本 明歩, 山崎 敦
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第148回総会・講演会