Development of a technology to continuously scan cluster strength of c-axis of ice crystals within ice cores with high spatial resolutions

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K12194
• Research Institution: National Institute of Polar Research
• Principal Investigator: 藤田 秀二 国立極地研究所, 研究教育系, 准教授 (30250476)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: マイクロ波 / 誘電率 / アイスコア / 結晶主軸方位分布 / 連続計測 / フィルン / 開放型共振器 / ファブリペロー共振器

Outline of Annual Research Achievements

前年度に継続して、計測系の部品調達、アセンブル、機器制御プログラムの作成を実施した。前年度に試作した15-20ギガヘルツ帯で共振信号を起こすマイクロ波共振器系は、初期段階では比較的薄い試料(10-20mm厚）に応用するものであった．この共振器系を用いて75mm厚の氷試料の誘電率テンソルの計測に挑戦したところ、誘電率の評価に十分な強度の共振信号を取得できた．これは本研究の目的に照らして「ブレークスルー」と呼べるレベルの計測の成功であった．その後、南極氷床やグリーンランド氷床で採取されたアイスコア試料を多数用いての計測を実施した．共振器系で信号が検知できた理由を以下のように考察した．①発信信号が15-20ギガヘルツ帯であり、当初検討した30-40ギガヘルツ帯よりも低かった。これにより、定倍器を介さずに信号発生が可能になり、計測に使用できる信号強度が上がった．②同じ理由により、氷の内部でのエネルギー吸収量が小さかった。
当初計画段階で挙げた反射法、透過法と比較し、マイクロ波共振法は計測の安定性や信頼性の面で圧倒的に有利といえる．共振法の成功の段階で、計測手法としては共振法ひとつに絞り混み、反射法、透過法への取り組みは共振法を上回る成果は生まないと判断した。本研究の終盤では、アイスコアを用いた計測データ量産体制の整備として共振器を更に１台製作し、計測能力を倍増した。南極ドームふじ基地等で採取されたアイスコアのマイクロ波誘電率テンソルの計測に応用し、空間分解能30mmで結晶主軸方位分布の変動に起因する計測値の変動を捉える計測に成功した。結果として、マイクロ伝搬手法を用いた低コスト・非破壊・高空間分解能の簡便な独自計測手法を世界ではじめて構築できたと宣言できる．これにより、極地氷床で積雪・フィルン・アイスコア中の変態や変形が発達する過程の理解の進展を革新することが可能になった．

Research Products

• [Journal Article] State dependence of climatic instability over the past 720,000 years from Antarctic ice cores and climate modeling (2017)
  • Author(s): Dome Fuji Ice Core Project
  • Journal Title: Science Advances Volume: 3 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1126/sciadv.1600446
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A firn densification process in the high accumulation dome of southeastern Greenland (2017)
  • Author(s): Yoshinori Iizuka, Atsushi Miyamoto, Akira Hori, Sumito Matoba, Ryoto Furukawa, Takeshi Saito, Shuji Fujita, Motohiro Hirabayashi, Satoru Yamaguchi, Koji Fujita, and Nozomu Takeuchi
  • Journal Title: Arctic, Antarctic, and Alpine Research Volume: 49(1) Pages: 13-27
  • DOI: 10.1657/AAAR0016-034
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Climate dependent contrast in surface mass balance in East Antarctica over the past 216 ka (2016)
  • Author(s): F. Parrenin,* S. Fujita,* A. Abe-Ouchi, K. Kawamura, V. Masson-Delmotte, H. Motoyama, F. Saito, M. Severi, B. Stenni, R. Uemura, E. W. Wolff (*Corresponding authors. These authors contributed equally to this work.)
  • Journal Title: Journal of Glaciology Volume: 62(236) Pages: 1037-1048
  • DOI: 10.1017/jog.2016.85
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Physicochemical properties of bottom ice from Dome Fuji, inland East Antarctica (2016)
  • Author(s): Ohno, H., Iizuka, Y., Hori, A., Miyamoto, A., Hirabayashi, M., Miyake, T., Kuramoto, T., Fujita, S., Segawa, T., Uemura, R., Sakurai, T., Suzuki, T., and Motoyama, H.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Earth Surface Volume: 121(7) Pages: 1230-1250
  • DOI: 10.1002/2015jf003777
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Densification of layered firn in the ice sheet at Dome Fuji, Antarctica (2016)
  • Author(s): Shuji Fujita, Kumiko Goto-Azuma, Motohiro Hirabayashi, Akira Hori, Yoshinori Iizuka, Yuko Motizuki, Hideaki Motoyama and Kazuya Takahashi
  • Journal Title: Journal of Glaciology Volume: 62(231) Pages: 103-123
  • DOI: 10.1017/jog.2016.16
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 厚いアイスコアを用いたC 軸集中度の連続計測手法 (2017)
  • Author(s): 藤田秀二
  • Organizer: 国立極地研究所 共同研究集会「南極ドームふじ氷床深層アイスコアの解析による気候・環境変動の研究」
  • Place of Presentation: 国立極地研究所
  • Year and Date: 2017-03-19
• [Presentation] Metamorphism of layered firn at Dome Fuji, Antarctica: Evolution of relations between Near-infrared reflectivity and the other textural/chemical properties (2016)
  • Author(s): Shuji Fujita, Kumiko Goto-Azuma, Hiroyuki Enomoto, Kotaro Fukui, Motohiro Hirabayashi, Akira Hori, Yu Hoshina, Yoshinori Iizuka, Yuko Motizuki, Hideaki Motoyama, Fumio Nakazawa, Shin Sugiyama, Sylviane Surdyk, Kazuya Takahashi
  • Organizer: The Seventh Symposium on Polar Science
  • Place of Presentation: 国立国語研究所 講堂
  • Year and Date: 2016-11-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evolution processes of the firn structure in polar ice sheets based on analyses of dielectric anisotropy - latest results of analyses for Greenland SE core as a central topic - (2016)
  • Author(s): Shuji Fujita(NIPR, SOKENDAI), Yoshinori Iizuka(ILTS), Sumito Matoba(ILTS), Atsushi Miyamoto(Hokkaido Univ.) and Takeshi Saito(ILTS)
  • Organizer: The Seventh Symposium on Polar Science
  • Place of Presentation: 国立国語研究所 講堂
  • Year and Date: 2016-11-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 誘電異方性解析からみえた、極域氷床のフィルン構造の発達過程 ～グリーンランドSEコアの最新の解析結果を中心に～ (2016)
  • Author(s): 藤田秀二（国立極地研究所，総合研究大学院大学），飯塚芳徳（北海道大学低温科学研究所），的場澄人（北海道大学低温科学研究所），宮本淳（北海道大学高等教育推進機構），斎藤健（北海道大学低温科学研究所）
  • Organizer: 雪氷研究大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2016-10-01
• [Presentation] Metamorphism of layered firn at Dome Fuji, Antarctica: Evolution of relations between Near-infrared reflectivity and the other textural/chemical properties (2016)
  • Author(s): Shuji Fujita, Kumiko Goto-Azuma, Hiroyuki Enomoto, Kotaro Fukui, Motohiro Hirabayashi, Akira Hori, Yu Hoshina, Yoshinori Iizuka, Yuko Motizuki, Hideaki Motoyama, Fumio Nakazawa, Shin Sugiyama, Sylviane Surdyk, Kazuya Takahashi
  • Organizer: SCAR 2016 Open Science Conference (OSC)
  • Place of Presentation: Kuala Lumpur, Malaysia
  • Year and Date: 2016-08-25
  • Int'l Joint Research