Regional coupling between surface, atmosphere, and space for understanding water cycle on Mars

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K05566
• 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): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 火星 / 水 / 散逸 / 循環 / 観測 / 探査機 / 大気重力波 / 同位体

Outline of Annual Research Achievements

MAVEN観測データ解析を実施し、超高層大気中の大気組成比の変動を調べた。その結果、微量大気成分の混合比が季節・場所により一桁以上大きく変動することを明らかにし、それら変動が下層大気の変動に伴う均一圏界面高度の変化によって説明可能であることを提案した。水蒸気に代表される微量大気成分が散逸しやすい時空間特徴の理解に貢献する成果であり、国内外で成果報告、学術雑誌に投稿準備を進めた。
また、今年発生した全球的な砂嵐に伴う水蒸気の超高層での爆発的な増大過程をTGO観測データ解析により明らかにした。同位体の高度分布を明らかにしたのは今回が初めてであり、青木連携研究者が中心に貢献した本研究はNatureに投稿され受理された。加えて、この全球砂嵐に伴う背景場の変化を連続的に監視するため、本研究で開発を推進したヘテロダイン分光による地上観測を６・８・９・１０・１１月に連続実施した。その結果、モデルでは再現できない中間圏加熱の様子を捉えることに成功した。同時にALMA地上観測を実施、ヘテロダインとは異なる高度の全球風速分布を導出することで、異なる３つの高度の風速場を明らかにし、鉛直輸送に制約を与える試みを行った。これらは国内外で成果を報告し、特集号への投稿準備を進めた。
MAVEN観測データ解析により推進してきた大気波動擾乱結果について、数値モデルとの不一致が原因で不採択が続いたため、観測結果を中心にまとめなおし、投稿準備を進めた。加えて、夏半球の夜側中間圏においてモデルの予測値よりも３０－４０Kも高い異常昇温を赤道域に新たに発見した。この熱構造が中間圏の水蒸気遊離層を形成し、水散逸の新たな散逸パスの重要な貯蔵庫となっていることを示唆した。
ヘテロダインによる連続監視のため、冷凍機試験を実施した。放射遮蔽対策をこうじたことで目標温度まで到達し、完全リモート制御型の試作機を設計した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロラド大学/アリゾナ大学/ハワイ大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: コロラド大学/アリゾナ大学/ハワイ大学
• [Int'l Joint Research] ベルギー王立宇宙科学研究所 (ベルギー)
  • Country Name: BELGIUM
  • Counterpart Institution: ベルギー王立宇宙科学研究所
• [Int'l Joint Research] ロシア宇宙科学研究所(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: ロシア宇宙科学研究所
• [Int'l Joint Research] フランス国立科学研究センター・大気環境宇宙観測研究所(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: フランス国立科学研究センター・大気環境宇宙観測研究所
• [Journal Article] Martian dust storm impact on atmospheric H2O and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter (2019)
  • Author(s): A. C. Vandaele, O. Korablev, F. Daerden, S. Aoki, L. R. Thomas, F. Altieri, M. Lopez-Valverde, G. Villanueva, G. Luizzi, M. D. Smith, J. T. Erwin, L. Trompet, A. A. Fedorova, F. Montmessin, A. Trokhimovskiy, D. A. Belyaev, N. I. Ignatiev, M. Luginin, K. S. Olsen, L. Baggio, et al.
  • Journal Title: Nature Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1097-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] No detection of methane on Mars from early ExoMars Trace Gas Orbiter observations (2019)
  • Author(s): O. Korablev, A. C. Vandaele, F. Montmessin, A. A. Fedorova, A. Trokhimovskiy, F. Forget, F. Lefevre, F. Daerden, I. R. Thomas, L. Trompet, J. T. Erwin, S. Aoki, S. Robert, L. Neary, S. Viscardy, A. V. Grigoriev, N. I. Ignatiev, A. Shakun, A. Patrakeev, D. A. Belyaev, J.-L. Bertaux, et al.
  • Journal Title: Nature Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1096-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Loss of the Martian atmosphere to space: Present-day loss rates determined from MAVEN observations and integrated loss through time (2018)
  • Author(s): B. M. Jakosky, D. Brain, M. Chaffin, S. Curry, J. Deighan, J. Grebowsky, J. Halekas, F. Leblanc, R. Lillis, J. G. Luhmann, L. Andersson, N. Andre, D. Andrews, D. Baird, D. Baker, J. Bell, M. Benna, D. Bhattacharyya, S. Bougher, C. Bowers, et al.
  • Journal Title: Icarus Volume: 315 Pages: 146-157
  • DOI: doi:10.1016/j.icarus.2018.05.030, 2018
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mesospheric CO2 ice clouds on Mars observed by the Planetary Fourier Spectrometer onboard Mars Express (2018)
  • Author(s): Aoki, S., Y. Sato, M. Giuranna, P. Wolkenberg, T. Sato, H. Nakagawa, Y. Kasaba
  • Journal Title: Icarus Volume: 302 Pages: 175-190
  • DOI: doi:10.1016/j.icarus.2017.10.047
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stringent upper limit of CH4 on Mars based on SOFIA/EXES observation (2018)
  • Author(s): Aoki, S., M.J. Richter, C. DeWitt, A. Boogert, T. Encrenaz, H. Sagawa, H. Nakagawa, A.C. Vandaele, M. Giuranna, T.K. Greathouse, T. Fouchet, A. Geminale, G. Sindoni, M. McKelvey, M. Case, Y. Kasaba
  • Journal Title: Astron. Astrophys. Volume: A78 Pages: 1-9
  • DOI: doi:10.1051/0004-6361/201730903
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Atmospheric Chemistry Suite (ACS) of three spectrometers for the ExoMars 2016 Trace Gas Orbiter (2018)
  • Author(s): O. Korablev, Montmessin, A. Trokhimovskiy, A.A. Fedorova, A.V. Shakun, A.V. Grigoriev, B.E. Moshkin, N.I. Ignatiev, F. Forget, F. Lefevre, K. Anufreychik, I. Dzuban, Y.S. Ivanov, Y.K. Kalinnikov, T.O. Kozlova, A. Kungurov, V. Makarov, F. Martynovich, I. Maslov, D. Merzlyakov, et al.
  • Journal Title: Space Sci. Rev Volume: 214 Pages: 1-62
  • DOI: doi:10.1007/s11214-017-0437-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] NOMAD, an integrated suite of three spectrometers for the ExoMars Trace Gas Mission: Technical description, science objectives and expected performance (2018)
  • Author(s): A. C. Vandaele, A. C., J.-J. Lopez-Moreno, M. R. Patel, G. Bellucci, F. Daerden, B. Ristic, S. Robert, I. R. Thomas, V. Wilquet, M. Allen, G. Alonso-Rodrigo, F. Altieri, S. Aoki, D. Bolsee, T. Clancy, E. Cloutis, C. Depiesse, R. Drummond, A. Fedorova, et al.
  • Journal Title: Space Sci. Rev. Volume: 214 Pages: 1-47
  • DOI: doi:10.1007/s11214-018-0517-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of dust activity on Mars from MY27 to MY32 by PFS-MEX observations (2018)
  • Author(s): Wolkenberg, P., M. Giuranna, D. Grassi, A. Aronica, S. Aoki, D. Scaccabarozzi, B. Saggin
  • Journal Title: Icarus Volume: 310 Pages: 32-47
  • DOI: doi:10.1016/j.icarus.2017.10.045
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 太陽系ハビタブル惑星の成立を探る火星衛星探査計画MMX (2018)
  • Author(s): 1.倉本圭, 川勝康弘, 藤本正樹, 源田英典, 平田成, 今村剛, 亀田真吾, 松本晃治, 宮本 英昭, 諸田 智克, 長岡 央, 中川 広務, 中村 智樹, 小川 和律, 大嶽 久志, 尾崎 正伸, 佐々木 晶, 千秋 博紀, 橘 省吾, 寺田 直樹, 臼井 寛裕, 和田 浩二, 渡邊 誠一郎, MMX study team
  • Journal Title: 日本惑星科学会誌遊星人 Volume: 27 Pages: 207-215
• [Journal Article] 特集「火星圏のサイエンス」ExoMars TGOと火星衛星探査計画MMXによる火星大気観測 (2018)
  • Author(s): 青木翔平, 中川広務, 小郷原一智, 神山徹, 今村剛, 笠羽康正
  • Journal Title: 日本惑星科学会誌遊星人 Volume: 27 Pages: 224
• [Presentation] Water cycle on Mars revealed by space-born and ground-based observations (2018)
  • Author(s): Nakagawa, H., S. Aoki, N. Yoshida, N. Terada, T. Imamura, K. Ogohara, Ando, Noguchi, A. Miyamoto, K. Takami, T. Kuroda, I. Murata, Y. Kasaba
  • Organizer: Symposium on Planetary Sciences
• [Presentation] Mars mesospheric zonal wind at global dust storm 2018 (2018)
  • Author(s): Nakagawa, H., A. Miyamoto, K. Takami, S. Aoki, H. Sagawa, T. Kuroda, N. Terada, Y. Kasaba, N. Yoshida, K. Toriumi
  • Organizer: Society of Geomagnetism and Earth, Planetary and Space Sciences
• [Presentation] Evolution of aerosol profile and convective instability resulting from superposition of atmospheric waves in the middle atmosphere on Mars (2018)
  • Author(s): Nakagawa, H., N. Terada, N. Yoshida, H. Fujiwara, K. Seki, IUVS team
  • Organizer: Society of Geomagnetism and Earth, Planetary and Space Sciences
• [Presentation] 火星超高層大気中における大気重力波の特性 (2018)
  • Author(s): 中川広務, 寺田直樹, 吉田奈央, 青木翔平, 笠羽康正
  • Organizer: 日本気象学会2018年度秋季大会
• [Presentation] The effect of atmospheric gravity waves on the water transport and its escape on Mars (2018)
  • Author(s): Nakagawa, H., N. Terada, N. Yoshida, S. Aoki, T. Kuroda, Y. Kasaba
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting
• [Presentation] Exploring the Atmosphere of Mars with remote observations: Activities in Japan for the Belgium-Japan partnership (AMAVERO) (2018)
  • Author(s): Kasaba, Y., H. Nakagawa, et al.
  • Organizer: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation of the coupled atmosphere and hydrosphere on early mars using a GCM (2018)
  • Author(s): T. Kuroda, A. Kamada, K. Toriumi, Y. Kasaba, N. Terada, H. Nakagawa
  • Organizer: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spectral inversion of OMEGA /MEx limb observations considering multiple scattering (2018)
  • Author(s): Mahieux, A., S. Aoki, M. Toyooka, H. Nakagawa et al.
  • Organizer: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Four years of upper atmospheric exploration at Mars with MAVEN and IUVS (2018)
  • Author(s): Montmessin, F., N. M. Schneider, J. I. Deighan, S. K. Jain, J. S. Evans, M. Crismani, M. H. Stevens, D. Y. lo, J. T. Clarke, M. S. Chaggin, M. Mayyasi, F. Lefevre, A. Stiepen, E. Royer, Z. Milby, H. Groller, R. Yelle, H. Nakagawa
  • Organizer: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modification of the retrieval tool JACOSPAR for the Martian limb observation (2018)
  • Author(s): Toyooka, M., H. Iwabuchi, S. Aoki, A. Mahieux, H. Nakagawa, Y. Kasaba
  • Organizer: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Book] Atmosphere of Mars, Astrobiology (From the Origins of Life to the Search for Extraterrestrial Intelligence) (2019)
  • Author(s): H. Nakagawa (Ed. by A. Yamagishi, T. Kakegawa, and T. Usui)
  • Total Pages: 14(454)
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 978-981-13-3639-3