探査機観測データ解析と搭載機器開発による火星の水環境進化の解明

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Aqua planetology
• Project/Area Number: 18H04453
• 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): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 火星 / 水 / 進化 / 物質輸送 / 分光 / 大気波動 / エアロゾル

Outline of Annual Research Achievements

水蒸気が下層から上層に鉛直輸送されるメカニズムを明らかにするため、新たな放射計算コードJACSOPARを開発した。希薄な火星大気環境下で計算できるまでに開発が進み、加えて、水蒸気を輸送するキャリアとしての役割を担うとされているエアロゾルの粒径やその分布についてもスペクトルから導出することが可能となった。OMEGA/CRISMなど実際の観測スペクトルからの物理量の導出する試みを今後実施予定である。
MAVENデータ解析から、下層大気で励起された大気重力波が超高層にまで到達して背景場を揺さぶり、また散逸大気の組成比が一年を通じて一桁以上も大きく変動することを明らかにした。これらは下層大気現象が超高層に大きな影響を及ぼし、効率的かつ高速に物質やエネルギーが輸送される可能性を示唆している。
高高度70-90kmにエアロゾル遊離層を新たに発見し、加えて同高度がモデルでは再現できないほど異常昇温を起こしていることがわかった。この熱構造は、中間圏で水蒸気遊離層を形成することを可能とし、新たな水散逸パスの重要な中間貯蔵庫となっていることが明らかになった。この異常昇温は、全球ダストストーム時に実施した独自地上観測でも確認されており整合的な結果が得られている。
全球砂嵐時に伴う水蒸気の超高層大気への高速輸送・爆発的増大過程をTGO観測で明らかにした。同様の突発的高速輸送を探るため、MEX/OMEGAデータを統計処理し水蒸気や関連物理量のクイックテーブルを作成し、統計処理の準備を進めた。
MMX搭載MacrOmegaのBBMを用いた要素試験を実施することで開発を推進した。音響工学フィルタの透過特性・熱輻射成分の除去方法の検討など、フォボス・火星観測に重要な最適化のための評価試験を実施することができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

新たな放射コードJACOSPAR開発は順調に進んでいるものの、反転解析の効率的な収束方法が鍵であることも明らかになり、次年度の課題である。
TGO観測も順調に進み初期成果も出版された。青木研究協力者が中核となって今後更なる詳細解析を進める予定であり、代表者と協力して周回機をまたぐ複合的な研究を進める。
大気重力波解析結果も、数値モデルとの不一致が課題であり投稿も不採択となった。現在は観測結果を中心にまとめなおして再投稿の準備を進めている。また、新たな発見となった、水輸送の鍵となる中間圏の熱構造・エアロゾルに関する研究も、現在学術雑誌への投稿を目指して準備を進めている。均一圏界面研究について、観測精度の高い高度領域に解析を絞ることで、散逸大気の貯蔵庫である下部熱圏の大気組成水平分布とその季節変化を初めて明らかにすることができた。OMEGAを用いた水蒸気の水平分布に関する統計解析の準備も順調に進んでおり、該当する可視域の撮像データも整備しつつある。
MMX搭載MacrOmega開発にも従事し、現在得ることのできない火星全球の水循環観測のための準備を進めている。得られた音響工学素子の透過特性も期待通りの性能がでており、実測された透過関数を用いることで導出する物理量の高精度化が検討できる。熱輻射成分についても十分な精度で較正計測できており、将来の実環境試験につながる価値の高い室内実験結果が得られている。

Strategy for Future Research Activity

JACOSPARを用いてOMEGA,TGO/NOMAD観測スペクトルのリトリーバルを試みる。新たに発見された水蒸気・エアロゾルの遊離層がどのように形成・発展・消失していくのかを明らかにすることで、水蒸気が上層に輸送・供給されるメカニズムに迫る。
MAVENによる中層大気研究を更に推進し、下層と上層の結合過程に迫る。
OMEGAによる統計解析という視点に加えて、TGOや関連研究の最新結果を受けて、より局所的・高速な水輸送イベント解析を実施する準備を進める。
観測から下層大気における乱流拡散係数・超高層における分子拡散係数に制約を与え、同グループで開発を進めている数値モデルに反映させることで、水輸送・循環への寄与を評価する。
MMX開発では、フォボス擬似サンプルを用いたより詳細な熱輻射除去手法の確立を目指す。火星水蒸気・エアロゾル相互作用を解明するための観測に必要な波長選定・運用立案を具体化する。

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: doi.org/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: doi.org/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
  • 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] 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, 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.org/10.1007/s11214-018-0517-2
  • 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): 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, MAVEN/IUVS team
  • 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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [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