地表面から熱圏までをつないで気候変動に迫る，火星大気物理化学過程のモデリング研究

• 研究課題/領域番号: 16K05552
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 気象・海洋物理・陸水学
• 研究機関: 東北大学 (2019); 国立研究開発法人情報通信研究機構 (2016-2018)
• 研究代表者: 黒田 剛史 東北大学, 理学研究科, 助教 (40613394)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 火星 / 大気大循環モデル / 大気物質循環 / 古気候 / 大気重力波 / 国際研究者交流・ドイツ / 国際研究者交流・米国 / 国際研究者交流・ベルギー / 大気化学 / 国際研究者交流・ロシア / 大気力学 / 国際研究者交流・英国 / 惑星起源・進化 / 気候変動 / 惑星気象学

研究成果の概要

水平分解能約1.1°の火星大気大循環モデルを用いて、重力波の励起と上層(モデル上端となる高度約80kmまで)への伝播の様子、大気温度・風速場に与える影響について水平波数依存性と季節変化を検証した。また水循環・HDO/H2O同位体分別過程、極夜のCO2降雪過程の全球気候モデルによる再現における水平分解能依存性についてまとめ、最近の観測により理解が急速に進みつつある火星の大気上下結合に絡めた研究を進めた。さらに液体の海の存在を仮定した約38億年前の火星気候のシミュレーションを行い、赤道域で降雨・積雪が季節によって繰り返される「冷涼・湿潤」な気候であった可能性を示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

形成初期の液体の海が地表に存在したと考えられる状態から不可逆的に水を失った火星の気候変動過程に迫るべく、現在の火星下層大気における大気重力波の励起及び上層大気への伝播とそれらを考慮した精緻な水・物質循環を高分解能全球大気モデルを用いて再現し、熱圏での大気散逸過程に与える力学的・化学的な影響を調べた。合わせて初期火星の気候も全球大気モデルで推測し、観測されている事実と照合し妥当性を議論することで火星の気候変遷とそのメカニズムについて新しい理論的な示唆を与えた。

研究成果

• [国際共同研究] MPI for Solar System Research(ドイツ)
• [国際共同研究] George Mason University/University of Colorado/University of Arizona(米国)
• [国際共同研究] LATMOS(フランス)
• [国際共同研究] University of Colorado(米国)
• [国際共同研究] MPI for Solar System Research(ドイツ)
• [国際共同研究] Belgian Institute for Space Aeronomy(ベルギー)
• [国際共同研究] MPI for Solar System Research/University of Cologne(ドイツ)
• [国際共同研究] Space Research Institute/MIPT(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Belgian Institute for Space Aeronomy(ベルギー)
• [国際共同研究] MPI for Solar System Research(ドイツ)
• [国際共同研究] George Mason University/University of Colorado Boulder/University of Arizona(米国)
• [国際共同研究] LATMOS/IPSL(フランス)
• [雑誌論文] A coupled atmosphere-hydrosphere global climate model of early Mars: A ‘cool and wet’ scenario for the formation of water channels (2020)
  • 著者名/発表者名: Kamada, A., T. Kuroda, Y. Kasaba, N. Terada, H. Nakagawa, K. Toriumi
  • 雑誌名: Icarus 巻: 338 ページ: 113567-113567
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2019.113567
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A warm layer in the nightside mesosphere of Mars (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa, H., S. K. Jain, N. M. Schneider, F. Montmessin, R. V. Yelle, F. Jiang, L. Verdier, T. Kuroda, N. Yoshida, H. Fujiwara, T. Imamura, N. Terada, K. Terada, K. Seki, H. Groller, and J. I. Deighan
  • 雑誌名: Geophys. Res. Let. 巻: - 号: 4 ページ: 47-57
  • DOI: 10.1029/2019gl085646
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Annual Cycle of Gravity Wave Activity Derived From a High‐Resolution Martian General Circulation Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Takeshi、Yigit Erdal、Medvedev Alexander S.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 124 号: 6 ページ: 1618-1632
  • DOI: 10.1029/2018je005847
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Loss of the Martian atmosphere to space: Present-day loss rates determined from MAVEN observations and integrated loss through time (2018)
  • 著者名/発表者名: Jakosky B.M.、Brain D.、Chaffin M.、Curry S.、Deighan J.、Grebowsky J.、Halekas J.、Leblanc F.、Lillis R.、Luhmann J.G.、Kuroda T.、他
  • 雑誌名: Icarus 巻: 315 ページ: 146-157
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2018.05.030
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mars submillimeter sensor on microsatellite: sensor feasibility study (2018)
  • 著者名/発表者名: Larsson Richard、Kasai Yasuko、Kuroda Takeshi、Sato Shigeru、Yamada Takayoshi、Maezawa Hiroyuki、Hasegawa Yutaka、Nishibori Toshiyuki、Nakasuka Shinichi、Hartogh Paul
  • 雑誌名: Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems 巻: 7 号: 4 ページ: 331-341
  • DOI: 10.5194/gi-7-331-2018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Weather forecast on Mars: Significances and what we need (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T., Y. Kasai, S. Nakasuka, H. Maezawa and R. Takahashi
  • 雑誌名: Abstract book of ‘Mars Atmosphere Data Assimilation workshop 2018’ 巻: #13 ページ: 1-2
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Modeling the Hydrological Cycle in the Atmosphere of Mars: Influence of a Bimodal Size Distribution of Aerosol Nucleation Particles (2018)
  • 著者名/発表者名: Dmitry S. Shaposhnikov, Alexander V. Rodin, Alexander S. Medvedev, Anna A. Fedorova, Takeshi Kuroda, and Paul Hartogh
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 123 号: 2 ページ: 508-526
  • DOI: 10.1002/2017je005384
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Role of stationary and transient waves in CO2 supersaturation during northern winter in the Martian atmosphere revealed by MGS radio occultationmeasurements (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Noguchi, Y. Morii, N. Oda, T. Kuroda, S. Tellmann, and M. Paetzold
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 122 号: 5 ページ: 912-926
  • DOI: 10.1002/2016je005142
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 深宇宙探査機によるテラヘルツ波帯観測が拓く惑星科学 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史, 佐川英夫, 関根康人, 笠井康子, Paul Hartogh
  • 雑誌名: 日本リモートセンシング学会誌 巻: 37 号: 4 ページ: 351-361
  • DOI: 10.11440/rssj.37.351
  • NAID: 130006539090
  • ISSN: 0289-7911, 1883-1184
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global distribution and parameter dependences of gravity wave activity in the Martian upper thermosphere derived from MAVEN/NGIMS observations (2017)
  • 著者名/発表者名: Terada N., F. Leblanc, H. Nakagawa, A. S. Medvedev, E. Yigit, T. Kuroda, T. Hara, S. L. England, H. Fujiwara, K. Terada, K. Seki, P. R. Mahaffy, M. Elrod, M. Benna, J. Grebowsky, and B. M. Jakosky
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research Space Physics 巻: 122 号: 2 ページ: 2374-2397
  • DOI: 10.1002/2016ja023476
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Comparison of the Martian thermospheric density and temperature from IUVS/MAVEN data and general circulation modeling (2016)
  • 著者名/発表者名: Medvedev, A.S., H. Nakagawa, C. Mockel, E. Yigit, T. Kuroda, P. Hartogh, K. Terada, N. Terada, K. Seki, N.M. Schneider, S.K. Jain, J.S. Evans, J.I. Deighan, W.E. McClintock, D. Lo and B.M. Jakosky
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 43 号: 7 ページ: 3095-3104
  • DOI: 10.1002/2016gl068388
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Global Distribution of Gravity Wave Sources and Fields in the Martian Atmosphere during Equinox and Solstice Inferred from a High-Resolution General Circulation Model (2016)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T., A. S. Medvedev, E. Yigit, and P. Hartogh
  • 雑誌名: Journal of the Atmospheric Sciences 巻: 73 号: 12 ページ: 4895-4909
  • DOI: 10.1175/jas-d-16-0142.1
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] GCM Simulations of the Martian Winter Polar Atmosphere and CO2 Snowfalls: Dependence of Horizontal Resolution and Radiative Effects of CO2 Ice Clouds (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kuroda
  • 学会等名: Seventh International Conference on Mars Polar Science and Exploration
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation of Possible Water Emission from RSL on Mars using a High Resolution GCM (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kuroda
  • 学会等名: The 21st Symposium on Planetary Sciences
• [学会発表] GCM simulations of the present and past water environment on Mars (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kuroda
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 国際学会
• [学会発表] DRAMATIC on Mars: 3-Dimensional Simulations of Atmospheric Waves, CO2 Snowfall, Water Cycle and Paleoclimate (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kuroda
  • 学会等名: The 4th International Conference on Lunar and Deep Space Exploration (LDSE)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 火星における大気重力波の発生と伝播：高分解能GCM実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 日本流体力学会年会2019
• [学会発表] 火星全球気候モデリングの精緻化に向けて：水循環とHDO/H2O比 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 日本惑星科学会2019年秋季講演会
• [学会発表] Simulation of the Water Environment on the Present and Past Mars Using a Global Climate Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kuroda
  • 学会等名: Planet 2/RESCEU Symposium 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 火星大気大循環モデリングの精緻化：重力波と水輸送 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 第146回 SGEPSS総会および講演会
• [学会発表] 火星古気候の大気・水圏結合モデリング：Valley network再現に向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 第146回 SGEPSS総会および講演会
• [学会発表] A Coupled Atmosphere-Hydrosphere Global Climate Model of Early Mars: Reproduction of the ‘Cool and Wet’ Scenario and the Formation of Water Channels (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kuroda
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] GCM Simulations of the Water Environment on Mars: Presentand Past (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T.
  • 学会等名: The 20th Symposium on Planetary Sciences
• [学会発表] Water environment on the present and past Mars:GCM simulations (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T.
  • 学会等名: The 1st International Workshop for Aquaplanetology
  • 国際学会
• [学会発表] GCM simulations of the present and past water environment on Mars (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 国際学会
• [学会発表] 火星古気候の大気・水圏結合モデリング (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 日本気象学会2018年度秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] O2 and related chemistry on Mars: Potential scientific targets for the future Mars terahertz sensor missions (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T.
  • 学会等名: AOGS 2018
  • 国際学会
• [学会発表] A coupled atmosphere-hydrosphere global climate model of early Mars: Reproduction of a 'cool and wet' scenario for the formation of water channels (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T.
  • 学会等名: COSPAR 2018 42nd Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation of the coupled atmosphere and hydrosphere on early Mars using a GCM (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T.
  • 学会等名: European Planetary Science Congress 2018
  • 国際学会
• [学会発表] O2 distributions and related chemistry on Mars: Potential scientific targets for the future Mars terahertz sensor missions (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuroda, T.
  • 学会等名: European Planetary Science Congress 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 火星古気候を想定した全球3次元大気・水圏結合モデリング (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 日本惑星科学会2018年秋季講演会
• [学会発表] 火星のO2分布と化学：テラヘルツセンサによる観測を見据えて (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第144回総会及び講演会
• [学会発表] 木星成層圏と火星古気候の放射計算 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: CPS/WTK 惑星大気放射計算ミニワークショップ
• [学会発表] O2 and related chemistry on Mars: Potential scientific targets for the future Mars terahertz sensor missions (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kuroda
  • 学会等名: AOGS 2018
  • 国際学会
• [学会発表] A coupled atmosphere-hydrosphere global climate model of early Mars: Reproduction of a 'cool and wet' scenario for the formation of water channels (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kuroda
  • 学会等名: 42nd COSPAR Scientific Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation of the Water Cycle Including HDO/H2O Isotopic Fractionation on the Present Mars Using DRAMATIC MGCM (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 6th international workshop on the Mars atmosphere: Modelling and observations (MAMO)
  • 発表場所: University of Granada, Granada, Spain
  • 年月日: 2017-01-17
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation of the Small-Scale Dust Activities and their Mutual Interactions on the Atmospheric Dynamics using a High-Resolution Mars General Circulation Model (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kuroda
  • 学会等名: Dust in the Atmosphere of Mars and Its Impact on Human Exploration
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation of the Martian atmosphere using a General Circulation Model: Dynamics, CO2 snowfall, water cycle and paleoclimate (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kuroda
  • 学会等名: Rocks & Stars II Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation of the high-resolution water cycle and HDO/H2O isotopic fractionation on Mars using DRAMATIC MGCM (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kuroda
  • 学会等名: European Planetary Science Congress 2017
  • 国際学会
• [学会発表] GCMを用いた火星の水循環とHDO/H2O同位体分別のシミュレーション：国際連携に向けて (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第142回総会及び講演会
• [学会発表] 火星大気モデルの開発状況と今後の展望 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 第9回深宇宙探査学シンポジウム-2020s火星への旅立ち-
  • 招待講演
• [学会発表] Simulation of Gravity Wave Fields and Their Effects on the Large-scale Flow in the Martian Atmosphere Using a High-resolution General Circulation Model (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 6th international workshop on the Mars atmosphere: Modelling and observations (MAMO)
  • 発表場所: University of Granada, Granada, Spain
  • 国際学会
• [学会発表] MAVEN/NGIMS observations and full-particle DSMC simulations of gravity waves in the Martian upper thermosphere (2017)
  • 著者名/発表者名: 寺田直樹
  • 学会等名: 第18回惑星圏研究会
  • 発表場所: 東北大学川内北キャンパス(宮城県仙台市)
• [学会発表] Global distribution and parameter dependences of gravity wave activity in the Martian upper thermosphere derived from MAVEN/NGIMS observations (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場(千葉県千葉市)
  • 国際学会
• [学会発表] Comparison of the Martian thermospheric density and temperature from IUVS/MAVEN data and general circulation modeling (2016)
  • 著者名/発表者名: 中川広務
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場(千葉県千葉市)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Baroclinic waves and CO2 snowfalls in Martian winter polar atmosphere simulated by a general circulation model (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 6th International Conference of Mars Polar Science and Exploration
  • 発表場所: University of Iceland, Reykjavik, Iceland
  • 国際学会
• [学会発表] Global distribution of gravity wave fields and their seasonal dependence in the Martian atmosphere simulated in a high-resolution general circulation model (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: DPS48/EPSC11 meeting
  • 発表場所: Pasadena Convention Center, Pasadena, CA, USA
  • 国際学会
• [学会発表] A global view of small-scale perturbations in Mars’ lower thermosphere derived from MAVEN/IUVS stellar occultation (2016)
  • 著者名/発表者名: 中川広務
  • 学会等名: 第140回SGEPSS総会および講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス(福岡県福岡市)
• [学会発表] DRAMATIC MGCMを用いた現在の火星環境における水循環のシミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 第140回SGEPSS総会および講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス(福岡県福岡市)
• [学会発表] MAVEN/IUVSと地上観測連携による火星中層大気観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中川広務
  • 学会等名: 第30回大気圏シンポジウム
  • 発表場所: JAXA宇宙科学研究所(神奈川県相模原市)
• [学会発表] 高分解能火星 GCM による重力波の励起と伝播のシミュレーション：季節変化の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒田剛史
  • 学会等名: 第30回大気圏シンポジウム
  • 発表場所: JAXA宇宙科学研究所(神奈川県相模原市)
• [学会発表] MAVEN/NGIMS による火星熱圏大気重力波の観測と大気散逸への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 寺田直樹
  • 学会等名: 第30回大気圏シンポジウム
  • 発表場所: JAXA宇宙科学研究所(神奈川県相模原市)
  • 招待講演
• [備考] 東北大学 大学院理学研究科 地球物理学専攻 惑星大気物理学分野
  • URL: http://pat.gp.tohoku.ac.jp/
• [備考] Homepage of Takeshi Kuroda (Planetary Atmosphere)
  • URL: http://kuroda.dramatic-planets.com/
• [備考] 38億年前、火星には雨と雪が降った？ 全球気候モデルが示した流水地形の再現メカニズム
  • URL: https://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20200302-10984.html