Variations and evolutions of Martian atmospheric environment investigated in the collaboration with European and US missions

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00707
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 笠羽 康正 東北大学, 理学研究科, 教授 (10295529)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中川 広務 東北大学, 理学研究科, 准教授 (30463772) ; 佐川 英夫 京都産業大学, 理学部, 教授 (40526034) ; 黒田 剛史 東北大学, 理学研究科, 助教 (40613394) ; 青木 翔平 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (60773629) ; 寺田 直樹 東北大学, 理学研究科, 教授 (70470060) ; 岩渕 弘信 東北大学, 理学研究科, 准教授 (80358754)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 火星 / 現在の大気環境の変動 / 過去の大気環境再現 / 探査機・望遠鏡観測 / 大気数値モデル

Outline of Annual Research Achievements

(A) リム観測による対流圏・中間圏大気の鉛直構造観測: リトリーバルツール開発を進捗させ、氷・ダスト粒子の高度分布導出に漕ぎ着けた(口頭発表: 小暮+ 2022)。また、ExoMars TGOでCOの高度分布変動から拡散係数の導出を行うとともに、同位体比を用いた検証にも着手した (論文:Yoshida+ 2022, 口頭発表：吉田+ 2022,2023, 塩原+ 2022,2023など)。CO2吸収を用いた地表気圧導出を引き続き進めた(口頭発表: 風間+ 2022,2023)。
(B) 米MAVEN等による熱圏・外圏大気の鉛直構造観測: 本研究を拡張すべく、火星衛星サンプルリターンミッション JAXA MMXにおける可視-赤外線撮像観測および流出粒子観測を包絡する火星環境観測の結合検討を進めた (論文: Nakagawa+ 2022 など)。
(C) 地上・航空機望遠鏡による全球水平構造観測: ハレアカラT60観測で安定性が問題となったヘテロダイン観測装置のファイバー化開発作業を進め、引き続く観測への準備を進めた(論文:Nakagawa+ 2023; 口頭発表:塚田+ 2022)。
(D) 対流圏-中間圏・熱圏-外圏鉛直結合モデル: 河川による太古の地形変化再現が可能なモデル古環境モデルにより、大気組成とその変動が与えうる現地形への影響について更に検討を進めた （論文：Kamada+ 2022, 口頭発表：鎌田+ 2022,2023)。また、火星モデルと連携して金星雲モデルの開発も進めた（論文：Karyu+ 2023, ）。さらに古表層水環境の痕跡をRSLが集中するCAP領域をレーダーデータで初探索し、成果としてまとめた(論文: Oura+ 2022)。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

データ解析・モデル研究を中心に作業は進捗し、凸凹があるものの、概ね全体としては順調に進展といってよい状態に回復したものの、以下の要因で遅延が存在する。
(1) 荒天・停電起因に伴う故障によりハワイ現地のT60望遠鏡が制御できず、火星最接近時の地上観測を順延した。
(2) 火星リトリーバルツール開発において、放射伝達計算の改善が必要であることが明瞭となり、その作業を先行して進行させた。

Strategy for Future Research Activity

成果を論文として公表し、また新開発ツールを成果創出およびJAXA MMXミッションの準備へ展開していく。H3ロケット打上失敗に伴うMMXの遅延が発生したため、その準備作業との同期で繰り越し延長も検討する。特に以下の諸活動の発展を行う。
(A/B) 探査機による対流圏・中間圏・熱圏・外圏大気の構造観測: 笠羽 [代表]、岩渕・中川・青木 [分担]、MEXのBibring [OMEGA:仏IAS]、TGOのVandaele [NOMAD:ベルギーIASB]らの共同。Limb方向新リトリーバルツールおよび2022年度に原型ができあがった水平圧力導出ツールを更に改良し、MEX/ OMEGAの観測データへの適用でアエロゾル・H2O等の構造と季節・緯度・ローカルタイム依存性の導出を試みる。また、より上層を見る 米MAVEN (共同研究者の寺田・中川 [分担]、堺(東北大/助教)らとMahaffy [NGIMS:米NASA]・Schneider [IUVS:米コロラド大] ら) と併せ、熱圏との接続についての評価も進める。
(C) 地上望遠鏡による全球構造観測: 大型光赤外望遠鏡・ALMA(佐川・青木 [分担])やハレアカラT60/MILAHI(中川 [分担]・笠羽[代表]、村田 ・坂野井(東北大/准教授)) の共同。中間赤外域分光でファイバー化などの開発試験を踏まえ仙台市天文台およびハレアカラT60による観測を試みる。
(D) 対流圏-中間圏および熱圏-外圏モデルによる現大気環境の変動機構と古環境の再現。寺田・黒田 [分担]、および前者は高橋(神戸大)・Med vedev(独MPI)、後者はLeblanc (仏LATMOS)の共同。現・過去大気環境を跨ぐモデル開発を更に進め、MMXおよび国際火星浅地下探査計画IceMapper検討につなげていく。

Research Products

• [Journal Article] Mid-infrared laser heterodyne spectrometer by hollow optical fiber and its newly designed coupler (2023)
  • Author(s): Nakagawa Hiromu、Tsukada Satoki、Katagiri Takashi、Kasaba Yasumasa、Murata Isao、Hirahara Yasuhiro、Matsuura Yuji、Yamazaki Atsushi
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 62 Pages: A31～A31
  • DOI: 10.1364/AO.475426
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vertical‐Wind‐Induced Cloud Opacity Variation in Low Latitudes Simulated by a Venus GCM (2023)
  • Author(s): Karyu Hiroki、Kuroda Takeshi、Itoh Kazunari、Nitta Akira、Ikeda Kohei、Yamamoto Masaru、Sugimoto Norihiko、Terada Naoki、Kasaba Yasumasa、Takahashi Masaaki、Hartogh Paul
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Planets Volume: 128 Pages: e2022JE007595
  • DOI: 10.1029/2022JE007595
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evolution of ice sheets on early Mars with subglacial river systems (2022)
  • Author(s): Kamada A.、Kuroda T.、Kodama T.、Kasaba Y.、Terada N.
  • Journal Title: Icarus Volume: 385 Pages: 115117～115117
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115117
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Search for shallow subsurface structures in Chryse and Acidalia Planitiae on Mars (2022)
  • Author(s): Oura Aina、Yasumasa Kasaba、Noguchi Rina、Kumamoto Atsushi、Ishiyama Ken、Usui Tomohiro、Tsuchiya Fuminori、Uemura Chihiro、Kimura Tomoki
  • Journal Title: Icarus Volume: 380 Pages: 114991～114991
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114991
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Corrigendum to “Global climate and river transport simulations of early Mars around the Noachian and Hesperian boundary” [Icarus, Volume 368 (2021) 114618] (2022)
  • Author(s): Kamada A.、Kuroda T.、Kasaba Y.、Terada N.、Nakagawa H.
  • Journal Title: Icarus Volume: 379 Pages: 114915～114915
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114915
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Variations in Vertical CO/CO2 Profiles in the Martian Mesosphere and Lower Thermosphere Measured by the ExoMars TGO/NOMAD: Implications of Variations in Eddy Diffusion Coefficient (2022)
  • Author(s): Yoshida N., Nakagawa H., Aoki S., Erwin J., Vandaele A.-C., Daerden F., Thomas I., Trompet L., Koyama S., Terada N., Neary L., Murata I., Villanueva G., Liuzzi G., Lopez‐Valverde M.A., Brines A., Modak A., Kasaba Y., Ristic B., Bellucci G., Lopez‐Moreno J.J., Patel M.,
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 49 Pages: e2022GL098485
  • DOI: 10.1029/2022GL098485
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a radiative transfer tool for surface pressure retrievals on Mars by CO2 2μm absorption band observed by Mars Express/OMEGA and MMX/MIRS (2023)
  • Author(s): A. Kazama, Y. Kasaba, S. Aoki, H. Nakagwa, T.M. Sato
  • Organizer: ExcMars Trace Gas Orbiter NOMAD Science Working Team meeting #23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] CO同位体分別の解明を目的としたTGO/NOMAD火星大気観測データのCO中炭素・酸素同位体比解析：初期結果 (2023)
  • Author(s): 塩原輝満恵, 青木翔平, 吉田奈央, 中川広務, 寺田直樹, 笠羽康正, 村田功, 吉田辰哉, A.C. Vandaele, L. Trompet, G. Liuzzi, I.R. Thomas, G.L. Villanueva, M.A. Lopez-Valverde, A. Brines, M.R. Patel, S.Faggi, F. Daerden, J.T. Erwin, B. Ristic, G. Bellucci, J.J. Lopez-Moreno, 黒川宏之, 上野雄一郎
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会(SPS2023)
• [Presentation] MEx/OMEGAとMMX/MIRSへの応用を目指したCO2 2μm吸収帯による火星表面圧力導出のための放射伝達ツール開発 (2023)
  • Author(s): 風間暁, 笠羽康正, 青木翔平, 中川広務, 佐藤隆雄, 佐藤晋之祐, 吉田奈央
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会(SPS2023)
• [Presentation] The climate evolution of early Mars (2023)
  • Author(s): 鎌田有紘, 黒田剛史, 小玉貴則, 笠羽康正, 寺田直樹
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会(SPS2023)
  • Invited
• [Presentation] Impact of global dust storm event on the CO VMR in the Martian mesosphere and lower thermosphere measured by TGO/NOMAD (2023)
  • Author(s): 吉田奈央, 青木翔平, F. Daerden, A.C. Vandaele, 中川 広務, J. Erwin, I. Thomas, L. Trompet, 村田 功, M.A.Lopez-Valverde, L. Neary, 寺田 直樹, G. Villanueva, G. Liuzzi, A. Modak, 笠羽 康正, M. Patel, B. Ristic, G. Bellucci, J.J. Lopez-Moreno
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会(SPS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GCM study of Venusian cloud morphology in low latitudes and its formation mechanism (2023)
  • Author(s): 狩生宏喜, 黒田剛史, 伊藤一成, 新田光, 池田恒平, 山本勝, 杉本憲彦, 寺田直樹, 笠羽康正, 高橋正明, Paul Hartogh
  • Organizer: 第24回惑星圏研究会(SPS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploration of Possible Early Martian Climate and Feasibility of Valley Network Formation by Rivers and Ice Sheets for Various Surface Pressure and H2 Mixing Ratio (2022)
  • Author(s): Kamada, A., T. Kuroda, T. Kodama, Y. Kasaba, N. Terada
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quasi-Periodic Cloud Opacity Variation Associated with Vertical Winds Simulated by a Venus GCM (2022)
  • Author(s): Karyu, H., T. Kuroda, K. Itoh, A. Nitta, K. Ikeda, M. Yamamoto, N. Sugimoto, N. Terada, Y. Kasaba, M. Takahashi, A.S. Medvedev, P. Hartogh
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CO distributions and climatology in the Martian mesosphere and lower thermosphere retrieved from TGO NOMAD solar occultation (2022)
  • Author(s): 吉田 奈央 , 青木 翔平 , Daerden F., Erwin J., 中川 広務, Vandaele A.C., Thomas I., Trompet L., 村田 功 , 寺田 直樹 , Neary L., Lopez-Valverde M.A., Modak A., Geronimo V., Giuliano L., 笠羽 康正 , Patel M., Ristic B., Bellucci G., Lopez M.J.J.
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第152 回総会・講演会
• [Presentation] Mars Express/OMEGAとMMX/MIRSへの応用を目指したCO2 2μm吸収帯による火星表面圧力導出のための放射伝達ツール開発 (2022)
  • Author(s): 風間 暁 , 笠羽 康正 , 青木 翔平 , 中川 広務 , 佐藤 隆雄 , 佐藤 晋之祐 , 吉田 奈央
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第152 回総会・講演会
• [Presentation] Global simulation of valley network formation by rivers and ice sheets in early Mars for various surface pressure and H2 amount (2022)
  • Author(s): 鎌田 有紘 , 黒田 剛史 , 小玉 貴則 , 笠羽 康正 , 寺田 直樹
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第152 回総会・講演会
• [Presentation] TGO/NOMAD 火星大気観測データを用いた 13CO12CO 比解析の初期結果 (2022)
  • Author(s): 塩原 輝満恵, 青木 翔平, 吉田 奈央, 中川 広務, 寺田 直樹 , 笠羽 康正 , 村田 功 , 吉田 辰哉 , Vandaele A.C.
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第152 回総会・講演会
• [Presentation] CO distributions retrieved from TGO NOMAD SO using multiple orders (2022)
  • Author(s): Yoshida, N., S. Aoki, A.C. Vandaele, H. Nakagawa, J. Ewrin, I. Thomas, F. Daerden, L. Trompet, I. Murata, N. Terada, L. Neary, M.A. Lopez-Valverde, A. Modak, G. Villanueva, G. Liuzzi, Y. Kasaba, M. Patel, B. Ristic, G. Bellucci, J.J.L. Moreno
  • Organizer: Europlanet Science Congress 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transport processes of dust and water in the Martian atmosphere revealed by the MMX Infrared Spectrometer (MIRS): Fast retrieval code for aerosol and gaseous profiles for limb-sounding (2022)
  • Author(s): Nakagawa, H., S. Aoki, T. Gautier, A. Doressoundiram, M.A. Barucci, S. Fornasier, P. Bernardi, J.M. Reess, T. Iwata, A. Spiga, T. Bertrand, F. Montmessin, A.C. Vandaele, K. Ogohara, I. Imamura, A. Mahieux, Y. Kasaba, H. Iwabuchi.
  • Organizer: Seventh International Workshop on the Mars Atmosphere: Modelling and Observations,
• [Presentation] Early Martian climate during the late Noachian and the early Hesperian - Formation of valley networks by fluvial and subglacial erosions (2022)
  • Author(s): Kamada, A., Y. Kasaba, T. Kuroda, N. Terada, T. Kodama.
  • Organizer: Seventh International Workshop on the Mars Atmosphere: Modelling and Observations,
• [Presentation] Long term evolution of early Martian climate - Valley network formation by warm or cool climate conditions (2022)
  • Author(s): Kamada, A., T., Kuroda, T. Kodama, Y. Kasaba, N. Terada, N.
  • Organizer: Seventh International Workshop on the Mars Atmosphere: Modelling and Observations,
• [Presentation] Variations in vertical CO/CO2 profiles in the Martian mesosphere and lower thermosphere measured by ExoMars TGO/NOMAD: Implications of variations in eddy diffusion coefficient (2022)
  • Author(s): Yoshida, N., H. Nakagawa, S. Aoki, J. Erwin, A.C. Vandaele, F. Daerden, I. Thomas, L. Trompet, S. Koyama, N. Terada, L. Neary, I. Murata, G. Villanueva, G. Liuzzi, M.A. Lopez-Valverde, A. Brines, A. Modak, Y. Kasaba, B. Ristic, G. Bellucci
  • Organizer: Seventh International Workshop on the Mars Atmosphere: Modelling and Observations,
• [Presentation] Development for a radiative transfer tool for remote sensing of surface pressure on Mars by CO2 2μm absorption band observed by Mars Express/OMEGA and MMX/MIRS (2022)
  • Author(s): 風間 暁、笠羽 康正、中川 広務、青木 翔平、佐藤 隆雄、黒田 剛史、小暮 李成、吉田 奈央
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
• [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 (2022)
  • Author(s): 小暮 李成、青木 翔平、中川 広務、Arnaud Mahieux、黒田 剛史、吉田 奈央、岩渕 弘信、出村 裕英、佐藤 隆雄、笠羽 康正
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
• [Presentation] Variations in vertical CO/CO2 profiles in the Martian mesosphere and lower thermosphere measured by ExoMars TGO/NOMAD: Implications of variations in eddy diffusion coefficient (2022)
  • Author(s): 吉田 奈央、中川 広務、青木 翔平、Erwin J.、Vandaele A.C.、Daerden F.、Thomas I.、Trompet L.、小山 俊吾、寺田 直樹、Neary L.、村田 功、Villanueva G.、Liuzzi G.、Lopez-Valverde M.A.、Brines A.、Modak A.、笠羽 康正、Ristic B.、Patel M.、Bellucci G.、Lopez-Moreno J.J.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
• [Presentation] Climate of early Mars during the late Noachian and the early Hesperian -- formation of valley networks by rivers and glaciers (2022)
  • Author(s): 鎌田 有紘、黒田 剛史、小玉 貴則、笠羽 康正、寺田 直樹
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
• [Presentation] 中空光ファイバを用いた惑星探査用中間赤外レーザーヘテロダイン分光器の開発 (2022)
  • 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、山崎 敦
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022