Study of the influence of energetic particle precipitation on atmospheric environment in both polar regions

• Project/Area Number: 19H01952
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 水野 亮 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (80212231)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 良昌 国立極地研究所, 研究教育系, 特任准教授 (50425766) ; 野澤 悟徳 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (60212130) ; 長濱 智生 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (70377779) ; 中島 拓 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 助教 (90570359)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2020: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2019: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
• Keywords: 高エネルギー粒子降り込み / 極域科学 / ミリ波分光 / 中間圏 / 大気環境変動

Outline of Research at the Start

南極の昭和基地と北極のEISCATサイトからの同時観測により、下部熱圏から成層圏の地球大気環境に関わる分子の変動要因を理解する。特に、高エネルギー粒子の降り込みの影響を他の変動要因と分離するため、多周波超伝導ミリ波分光計を実用化し、複数の分子種の同時観測を可能にする。また、降り込み電子の密度やエネルギースペクトルの情報を得るため、既存のレーダーやイメージングリオメターを用いた観測を進めるとともに、計画後半では新たにスペクトルリオメータでの観測を実施し、イオン化学モデルを含んだ電離圏・熱圏シミュレーションモデルとも比較することにより、高エネルギー粒子降り込み時に生起する素過程を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、ほぼ同緯度に位置する南極昭和基地と北極EISCATトロムソサイトからの同時観測により、高エネルギー粒子降り込み(EPP)にともなう下部熱圏から成層圏の地球大気環境への影響を観測的に理解することを目指している。そのために、複数の分子種の同時観測を可能にする多周波超伝導ミリ波分光計、降り込み電子の密度やエネルギースペクトルを観測するスペクトルリオメータを新たに導入し、既存のレーダーやナトリウムライダーを組み合わせて観測体制を強化する。イオン化学モデルを含んだ電離圏・熱圏の化学輸送モデルと観測結果との比較、また極夜と白夜の全く異なる光化学環境下での振る舞いの違いも比較することで、高エネルギー粒子降り込み時に生起する様々な素過程を明らかにすることを目的としている。初年度にあたるR2年度は、多周波ミリ波分光計の光学系、超伝導受信機と冷却系、デジタル信号処理系を含めたシステム全体の製作と評価を名古屋大学の実験室で行い、十分なスペックを有していることを確認して昭和基地に輸送し現地での再組み立て作業を開始した。スペクトルリオメータに関しては、装置一式を購入し、アンプ、USRP（受信装置）、制御PCの動作確認を行い、周波数20～60MHz帯の信号を50MS/sで記録できるところまでを確認した。また、EPPで生成されるNO分子のカラム量の時間変化を定量的に解釈するために、ラグランジュ型の粒子拡散モデルであるFREXPARTを中間圏領域まで拡張し、粒子の代わりにボックスを飛ばしボックス内で化学反応計算を行う領域型の化学輸送モデルを開発を始めた。輸送と光化学反応部のモデルができ、今後イオン反応計算部分を改良していく計画である。また、観測データの解釈や機器開発を進める上で、米国コロラド大学(LASP)、ノルウェー北極大学、フィンランドのソダンキラ地球物理観測所と共同研究を推進した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の独創的な観測装置の一つである多周波ミリ波分光計の開発では、多くの開発項目を統合して一つの観測システムにまとめ上げる必要があったが、これまでの要素開発の実績により短期間で実機まで完成させることができた。計画通り概ね順調に進んだ。また、スペクトルリオメータの導入においては、昨年度中に実施予定であった動作確認を終了し、観測制御プログラムを開発している。これも概ね順調に進んでいる。化学輸送モデル開発は若干の遅れが見られ、イオン化学反応部分の実装がまだ完成していない。しかし大枠の構造や途中のデータの受け渡しは設計通りに動いており、未実装部分の実装作業にも大きな障害は見当たらない。
唯一問題であったのは北極側のミリ波分光計で、電波強度の校正に使用する液体窒素製造装置で水漏れがあり観測運用が停止した。故障部位の特定は完了しており修理をすれば観測が再開できるのだが、コロナ禍によりノルウェーに赴くことができないため停止状態が続いている。しかし、その一方でこれまでの課題となっていたレーダーからミリ波分光計への混信の問題を改善するため、11-12月の渡航時(別財源による)に金属製ネットを観測窓に装着し、理論と実測により金属ネットの網目サイズの最適化を行うことができた。レーダーからの混信を大きく低減でき、レーダーとミリ波分光計の同時観測の途が開かれたのは大きな成果であった。
またこの期間に、ミリ波データと衛星観測による高エネルギー電子との相関を調べるため米国のコロラド大学(LASP)、スペクトルリオメータの開発のためフィンランドのソダンキラ 地球物理観測所、中間圏の大気分子の化学変化におけるダストの役割を明らかにするためノルウェー北極大学の研究者らと共同研究を進め、良い成果を得ることができた。
個々の課題で進捗には多少の差異はあるものの、全体としては順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

今後はまず昭和基地での多周波観測の定常運用体制を確立し、その後、ノルウェーでのミリ波の連続観測、昭和基地でのスペクトルリオメータの定常観測を目指し、３年目には全ての観測装置を用いて南北両極からの同時観測を行う予定である。ただし、ノルウェーのミリ波分光計は採択経費削減のため当初計画の多周波化の実現は難しく、周波数を随時切り替える一酸化窒素(NO)とオゾンの交互観測をベースにデータを取得する。
今後の問題点としては、コロナ禍に伴う影響が考えられる。ノルウェーに関しては上の「現在までの進捗状況」にも述べたように現地の修理対応に行くことができず、いつ再開できるのかの目処がまだ立てられないことが最大の問題である。国内で可能な限り考えうる問題点を想定し、対応策をあらかじめ検討しておき、ノルウェーに渡航可能となった時点でできる限り速やかに定常観測を移行できるようにする。スペクトルリオメータに関しては、9月ごろまでに国内で計画していた試験観測を終えなければならないが、これもコロナ禍に伴い実施が遅れている。昭和基地に移設した後に装置に不具合が発見されても、現地では対処できない事態に陥る可能性が大いにありうる。そのため、国内での試験観測を最優先とし、試験観測が実施できない場合は昭和基地への移設を翌年に延ばすことも検討する。延期した場合、本研究へのインパクトは小さく無いが、同装置が今後10年以上にわたり南極域でのモニタリングデータを取得することの重要性を考えた上で判断をしたい。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロラド大学 LASP(米国)
• [Int'l Joint Research] ノルウェー北極大学/EISCAT科学協会(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] ソダンキラ 地球物理学観測所(フィンランド)
• [Journal Article] Development of low-cost multi-wavelength imager system for studies of aurora and airglow (2020)
  • Author(s): Ogawa, Y., Y. Tanaka, A. Kadokura, K. Hosokawa, Y. Ebihara, T. Motoba, B. Gustavsson, U. Brandstrom, Y. Sato, S. Oyama, M. Ozaki, T. Raita, F. Sigernes, S. Nozawa, K. Shiokawa, M. Kosch, K. Kauristie, C. Hall, S. Suzuki, Y. Miyoshi, A. Gerrard, H. Miyaoka, and R. Fujii
  • Journal Title: Polar Science Volume: 23 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.polar.2019.100501
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On the Long Lasting “C‐Type” Structures in the Sodium Lidargram: The Lifetime of Kelvin‐Helmholtz Billows in the Mesosphere and Lower Thermosphere Region (2019)
  • Author(s): Mondal S.、Sarkhel S.、Agarwal Jay、Chakrabarty D.、Sekar R.、Yuan Tao、Cai Xuguang、Liu Alan Z.、Nozawa Satonori、Saito Norihito、Kawahara Takuya D.、Mlynczak Martin G.、Russell James M.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 124 Pages: 3110-3124
  • DOI: 10.1029/2019ja026630
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Special issue “Recent advances in MST and EISCAT/ionospheric studies- special issue of the joint MST15 and EISCAT 18 meetings, May 2017” (2019)
  • Author(s): Yamamoto Mamoru、Hocking Wayne K.、Nozawa Satonori、Vierinen Juha、Liu Huixin、Nishitani Nozomu
  • Journal Title: Progress in Earth and Planetary Science Volume: 71 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1186/s40623-019-1070-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-latitude thermospheric wind study using a Fabry-Perot interferometer at Tromsoe; in Norway: averages and variations during quiet times (2019)
  • Author(s): Xu Heqiucen、Shiokawa Kazuo、Oyama Shin-ichiro、Nozawa Satonori
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 71
  • DOI: 10.1186/s40623-019-1093-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct Comparison Between Magnetospheric Plasma Waves and Polar Mesosphere Winter Echoes in Both Hemispheres (2019)
  • Author(s): Tanaka, Y.-M., T. Nishiyama, A. Kadokura, M. Ozaki, Y. Miyoshi, K. Shiokawa, S.-I. Oyama, R. Kataoka, M. Tsutsumi, K. Nishimura, K. Sato, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, M. Hikishima, S. Matsuda, A. Matsuoka, I. Shinohara, M. Nose, T. Nagatsuma, M. Shinohara, A. Fujimoto, M. Teramoto, 他5名
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 124 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1029/2019ja026891
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 多輝線同時観測のための200GHz帯導波管型マルチプレクサの開発２ (2020)
  • Author(s): 中島拓、小瀬垣貴彦、佐谷昂樹、原谷浩平、水野亮、鈴木和司、小嶋崇文、鵜澤佳徳、浅山信一郎、渡邊一世
  • Organizer: 日本天文学会2020年春季年会
• [Presentation] 次世代大気ミリ波分光計の導波管回路の開発と評価 (2020)
  • Author(s): 佐谷昂樹、中島拓、水野亮、渡邊一世、笠松章史、落合啓
  • Organizer: 2019年度先端ICTデバイスラボ・ワークショップ
• [Presentation] Simultaneous observation of magnetospheric plasma waves and PMWE observed by Arase satellite and MST radars (2019)
  • Author(s): Y. Tanaka, T. Nishiyama, A. Kadokura, M. Ozaki, Y. Miyoshi, K. Shiokawa, S. Oyama, R. Kataoka, M. Tsutsumi, K. Nishimura, K. Sato, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, M. Hikishima, S. Matsuda, A. Matsuoka, I. Shinohara, M. Nose, T. Nagatsuma, M. Shinohara, A. Fujimoto, M. Teramoto, R. Nomura, 他4名
  • Organizer: SuperDARN Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Research activity and instrumental development for microwave measurements at Nagoya University (2019)
  • Author(s): A.Mizuno
  • Organizer: NDACC Science Workshop in Tsukuba
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Monitoring of Minor Constituents in the Middle Atmosphere at Polar Regions with the Millimeter-Wave Spectroradiometer (2019)
  • Author(s): T. Nakajima, T. Nagahama, A. Mizuno
  • Organizer: Chemical Aeronomy in the Mesosphere and Ozone in the Stratosphere (CHAMOS) Workshop 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Advanced tools for research on upper atmosphere and their future perspective (2019)
  • Author(s): Y. Tanaka, N. Umemura, A. Shinbori, S. Abe, S. Ueno, M. Nose
  • Organizer: World Data System Asia-Oceania Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical study of Sporadic Sodium Layer (SSL) observed at Tromsoe (2019)
  • Author(s): S. Nozawa, T. T. Tsuda, N. Saito, T. Takahashi, T. Kawahara, Y. Ogawa, H. Fujiwara, S. Wada, Y. Ogawa, C. Hall, and A. Brekke
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
• [Presentation] Atmospheric responses in both hemispheres to relativistic electron precipitation (2019)
  • Author(s): Y. Tanaka, T. Nishiyama, A. Kadokura, M. Ozaki, Y. Miyoshi, K. Shiokawa, S. Oyama, R. Kataoka, M. Tsutsumi, K. Nishimura, K. Sato, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, M. Hikishima, S. Matsuda, A. Matsuoka, I. Shinohara, M. Nose,T. Nagatsuma, M. Shinohara, A. Fujimoto, M.Teramoto, R. Nomura, 他4名
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
• [Presentation] Statistical study of Sporadic Sodium Layer (SSL) observed at the high latitude station at Tromsoe (2019)
  • Author(s): S. Nozawa, T. T. Tsuda, N. Saito, T. Takahashi, T. Kawahara, Y. Ogawa, H. Fujiwara, S. Wada, T. Kawabata, C. Hall, and A. Brekke
  • Organizer: The Tenth Symposium on Polar Science
• [Presentation] Development of multi-frequency mm-wave spectrometer for atmospheric observation (2019)
  • Author(s): A. Mizuno, T. Nagahama, T. Nakajima, T. Kosegaki, S. Iriyama, G. Mizoguchi, K. Haratani, H. Iwata, D. Tsutsumi, N. Sekiya, T. Hayashi, Y. Tomikawa, M. K. Ejiri, K. Sato
  • Organizer: The Tenth Symposium on Polar Science
• [Presentation] Spectral riometer observation of atmospheric iononization due to energetic electron precipitation (2019)
  • Author(s): Y. Tanaka, A. Kero, K. Nishimura, R. Kataoka, O. Yasunobu, T. Nishiyama, A. Kadokura, A. Yukimatu, H. Yamagishi, Y. Miyoshi, M. Ozaki, F. Tsuchiya, M. Tsutsumi
  • Organizer: The Tenth Symposium on Polar Science
• [Presentation] Conjugate observation of magnetospheric plasma waves and polar mesosphere winter echoes by Arase satellite and MST radars in both hemispheres (2019)
  • Author(s): Y. Tanaka, T. Nishiyama, A. Kadokura, M. Ozaki, Y. Miyoshi, K. Shiokawa, S. Oyama, R. Kataoka, M. Tsutsumi, K. Nishimura, K. Sato, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, M. Hikishima, S. Matsuda, A. Matsuoka, I. Shinohara, M Nose, T. Nagatsuma, M. Shinohara, A. Fujimoto, M. Teramoto, R. Nomura, 他4名
  • Organizer: The Tenth Symposium on Polar Science
• [Presentation] 中間圏大気組成変動機構の解明を目指したラグランジュ型化学輸送モデルの開発 (2019)
  • Author(s): 中西慎吾、長濱智生、水野亮、中島拓、石島陸
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] ラグランジュ型化学輸送モデルによる中間圏大気組成の短期変動機構の研究 (2019)
  • Author(s): 中西慎吾、長濱智生、水野亮、中島拓、石島陸
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第146回総会
• [Presentation] ミリ波受信機の高感度化に向けた局部発振信号の雑音特性改善の研究 (2019)
  • Author(s): 入山奨基、中島拓、長濱智生、水野亮、藤井泰範
  • Organizer: 日本天文学会2019年秋季年会
• [Presentation] ミリ波分光観測装置における多分子輝線同時観測IF系の開発 (2019)
  • Author(s): 小瀬垣貴彦、中島拓、長濱智生、水野亮、林拓磨、關谷尚人
  • Organizer: 日本天文学会2019年秋季年会
• [Presentation] Development of a Waveguide-Type Multiplexer for Millimeter-Wave Receiver with Wide RF Range (2019)
  • Author(s): 中島拓、原谷浩平、佐谷昂樹、水野亮、鈴木和司、小嶋崇文、鵜澤佳徳、浅山信一郎、渡邊一世
  • Organizer: Nobeyama Science Workshop -令和元年-
• [Presentation] Development of Low Noise and High Dynamic Range SIS Mixer in Millimeter Band (2019)
  • Author(s): 溝口玄真、山口倫史、中島拓、藤森隆彰、水野亮、鵜澤佳徳、宮地晃平、藤井泰範、小嶋崇文、Shan Wenlei
  • Organizer: Nobeyama Science Workshop -令和元年-
• [Remarks] 名古屋大学宇宙地球環境研究所 水野研究室
  • URL: http://skx1.stelab.nagoya-u.ac.jp/index.html
• [Remarks] ナトリウム温度ライダープロジェクト
  • URL: http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/~nozawa/LIDAR/