火星水循環・水流出における表層-大気-宇宙間結合の研究

• 研究課題/領域番号: 16K05566
• 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: 超高層物理学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 中川 広務 東北大学, 理学研究科, 助教 (30463772)
• 研究協力者: 笠羽 康正 ; 佐川 英夫 ; 黒田 剛史 ; 青木 翔平
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018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: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2017年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2016年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: 火星 / 進化 / 水 / 散逸 / 観測 / 循環 / 探査機 / 大気重力波 / 同位体 / 大気進化 / Mars / water / isotopes / spectroscopy / heterodyne / SOFIA / MAVEN / 惑星探査 / 超高層物理学 / 水循環 / 惑星進化

研究成果の概要

全球砂嵐時に伴う水蒸気の超高層大気での爆発的な増大をTGO観測により明らかにした。同時に、独自地上観測群を用いて火星連続観測を実現することに成功、大砂嵐時に超高層大気が加熱される様子を明らかにした。MAVEN観測により、下層大気で励起された大気重力波が超高層構造を変調し、散逸大気組成を支配する均一圏界面高度も季節によって大きく変動することを明らかにした。これらは下層から超高層に及ぶ効率的・短期的な物質・エネルギー輸送を示唆するに至った。巻き上がったダストが水蒸気を取り込み、活発になった大循環により高高度まで到達、直接的に水消失量を増大させる水の新たな高速散逸パスを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

約40億年前には豊富な液体の水をたたえ、温暖湿潤な気候を有していた火星は、劇的な気候変動を経て、現在のような寒冷で乾燥した惑星となった。火星のこの劇的な進化の過程で、温暖湿潤な環境を維持するための大量の大気と水がどこにどのようにして失われたかは、惑星表層環境の進化の理解にとって大きな謎として残されている。本研究により明らかになりつつある火星大気・水の散逸プロセスの理解は、生命を保持しうる惑星環境を理解する上で重要であり、昨今発見が相次ぐ系外惑星への示唆に富む。

研究成果

• [国際共同研究] コロラド大学/アリゾナ大学/ハワイ大学(米国)
• [国際共同研究] ベルギー王立宇宙科学研究所 (ベルギー)
• [国際共同研究] ロシア宇宙科学研究所(ロシア連邦)
• [国際共同研究] 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)
• [国際共同研究] コロラド大学(米国)
• [国際共同研究] ベルギー宇宙物理研究所(ベルギー)
• [国際共同研究] University of Hawaii/University of Corolado(米国)
• [国際共同研究] IASB(ベルギー)
• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
• [雑誌論文] Martian dust storm impact on atmospheric H2O and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter (2019)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature 巻: - 号: 7753 ページ: 521-525
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1097-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] No detection of methane on Mars from early ExoMars Trace Gas Orbiter observations (2019)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature 巻: - 号: 7753 ページ: 517-520
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1096-4
  • 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] Mesospheric CO2 ice clouds on Mars observed by Planetary Fourier Spectrometer onboard Mars Express (2018)
  • 著者名/発表者名: Aoki S., Y. Sato, M. Giuranna, P. Wolkenberg, T. M. Sato, H. Nakagawa, and Y. Kasaba
  • 雑誌名: Icarus 巻: 302 ページ: 175-190
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.10.047
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Atmospheric Chemistry Suite (ACS) of three spectrometers for the ExoMars 2016 Trace Gas Orbiter (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Space Sci. Rev 巻: 214 号: 1 ページ: 1-62
  • DOI: 10.1007/s11214-017-0437-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] NOMAD, an Integrated Suite of Three Spectrometers for the ExoMars Trace Gas Mission: Technical Description, Science Objectives and Expected Performance (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Space Sci. Rev. 巻: 214 号: 5 ページ: 1-47
  • DOI: 10.1007/s11214-018-0517-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of dust activity on Mars from MY27 to MY32 by PFS-MEX observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Wolkenberg, P., M. Giuranna, D. Grassi, A. Aronica, S. Aoki, D. Scaccabarozzi, B. Saggin
  • 雑誌名: Icarus 巻: 310 ページ: 32-47
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.10.045
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: 日本惑星科学会誌遊星人 巻: 27 ページ: 207-215
  • NAID: 130007546969
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 青木翔平, 中川広務, 小郷原一智, 神山徹, 今村剛, 笠羽康正
  • 雑誌名: 日本惑星科学会誌遊星人 巻: 27 ページ: 224-224
• [雑誌論文] Stringent upper limit of CH4 on Mars based on SOFIA/EXES observations (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki, S., M.J. Richter, C. DeWitte, 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, and Y. Kasaba
  • 雑誌名: Astron. Astrophys. 巻: 17 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201730903
  • 査読あり / 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] MAVEN NGIMS Observations of Atmospheric Gravity Waves in the Martian thermosphere (2017)
  • 著者名/発表者名: England, S. L., G. Liu, E. Yigit, P. R. Mahaffy, M. Elrod, M. Benna, H. Nakagawa, N. Terada, and B. Jakosky
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research Space Physics 巻: 122 号: 2 ページ: 2310-2335
  • DOI: 10.1002/2016ja023475
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Water cycle on Mars revealed by space-born and ground-based observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa, H., S. Aoki, N. Yoshida, N. Terada, T. Imamura, K. Ogohara, Ando, Noguchi, A. Miyamoto, K. Takami, T. Kuroda, I. Murata, Y. Kasaba
  • 学会等名: Symposium on Planetary Sciences
• [学会発表] Mars mesospheric zonal wind at global dust storm 2018 (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa, H., A. Miyamoto, K. Takami, S. Aoki, H. Sagawa, T. Kuroda, N. Terada, Y. Kasaba, N. Yoshida, K. Toriumi
  • 学会等名: Society of Geomagnetism and Earth, Planetary and Space Sciences
• [学会発表] Evolution of aerosol profile and convective instability resulting from superposition of atmospheric waves in the middle atmosphere on Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa, H., N. Terada, N. Yoshida, H. Fujiwara, K. Seki, IUVS team
  • 学会等名: Society of Geomagnetism and Earth, Planetary and Space Sciences
• [学会発表] 火星超高層大気中における大気重力波の特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中川広務, 寺田直樹, 吉田奈央, 青木翔平, 笠羽康正
  • 学会等名: 日本気象学会2018年度秋季大会
• [学会発表] The effect of atmospheric gravity waves on the water transport and its escape on Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa, H., N. Terada, N. Yoshida, S. Aoki, T. Kuroda, Y. Kasaba
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting
• [学会発表] Exploring the Atmosphere of Mars with remote observations: Activities in Japan for the Belgium-Japan partnership (AMAVERO) (2018)
  • 著者名/発表者名: Kasaba, Y., H. Nakagawa, et al.
  • 学会等名: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • 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: T. Kuroda, A. Kamada, K. Toriumi, Y. Kasaba, N. Terada, H. Nakagawa
  • 学会等名: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Spectral inversion of OMEGA /MEx limb observations considering multiple scattering (2018)
  • 著者名/発表者名: Mahieux, A., S. Aoki, M. Toyooka, H. Nakagawa et al.
  • 学会等名: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Four years of upper atmospheric exploration at Mars with MAVEN and IUVS (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Modification of the retrieval tool JACOSPAR for the Martian limb observation (2018)
  • 著者名/発表者名: Toyooka, M., H. Iwabuchi, S. Aoki, A. Mahieux, H. Nakagawa, Y. Kasaba
  • 学会等名: European Planetary Science Congress (EPSC) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] The effect of atmospheric gravity waves on the water upward transport on Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: 中川広務, 寺田直樹, 吉田奈央, 青木翔平, 黒田剛史, 笠羽康正
  • 学会等名: 惑星圏研究会
• [学会発表] Small-scale gravity waves and its effect on the water cycle on Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa H., N. Terada, N. Yoshida, S. Aoki
  • 学会等名: MAVEN PSG
  • 国際学会
• [学会発表] Seasonal variations of small-scale waves in the martian lower thermosphere (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa, H., A. Medvedev, T. Kuroda, E. Yigit, N. Terada, K. Terada, H. Fujiwara, K. Seki, P. Hartogh, H. Groller, R.V. Yelle, F. Montmessin, N.M. Schneider, and B.M. Jakosky
  • 学会等名: SGEPSS
• [学会発表] Global distribution of GW activity in Mars’ lower thermosphere derived from MAVEN/IUVS stellar occultations and analyzed using two MGCMs (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa, H., A. Medvedev, T. Kuroda, E. Yigit, N. Terada, K. Terada, H. Fujiwara, K. Seki, P. Hartogh, H. Groller, R.V. Yelle, F. Montmessin, N.M. Schneider, and B.M. Jakosky
  • 学会等名: JpGU
• [学会発表] Search of CH4 on Mars by SOFIA/EXES (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki, S., H. Nakagawa, Y. Kasaba, H. Sagawa, M.J. Richter, and C. DeWitt
  • 学会等名: JpGU
• [学会発表] Search of CH4 on Mars by SOFIA/EXES (2017)
  • 著者名/発表者名: 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, and Y. Kasaba
  • 学会等名: European Planetary Science Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Thermospheric perturbations at Mars, Venus, and Earth: Solar wind or lower atmosphere forcing? (2017)
  • 著者名/発表者名: Terada, N., K. Terada, H. Nakagawa, F. Leblanc, A.S. Medvedev, E.Yigit, T. Kuroda, T. Hara, S.L. England, H. Fujiwara, P.R. Mahaffy, M. Elrod, M. Benna, J. Grebowsky, and B.M. Jakosky
  • 学会等名: AOGS
• [学会発表] Search of CH4 on Mars by SOFIA/EXES (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Aoki, 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, and Y. Kasaba
  • 学会等名: Mars Science Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring the Atmosphere of Mars with Remote Observations and Numerical Works (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kasaba, H. Nakagawa, H. Sagawa, T. Kuroda, T. Imamura, I. Murata, N. Terada, T. Sakanoi, K. Takami, S. Aizawa, M. Toyota, T. Akiba, Y. Kasai, A. Yamazaki, T.M. Sato, H. Maezawa, M. Taguchi, A.C. Vandaele, S. Aoki, S. Robert, V. Wilquet, A. Mahieux, P.F. Coheur
  • 学会等名: Mars Science Workshop
  • 国際学会
• [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: H. Nakagawa, A. S. Medvedev, T. Kuroda, E. Yigit, N. Terada, K. Terada, H. Fujiwara, K. Seki
  • 学会等名: 第３０回大気圏シンポジウム
  • 発表場所: 神奈川県相模原市, ISAS
  • 年月日: 2016-12-05
• [学会発表] A global view of small-scale wave perturbations in Mars' lower thermosphere derived from MAVEN/IUVS (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Nakagawa, A. S. Medvedev, T. Kuroda, E. Yigit, N. Terada, K. Terada, H. Fujiwara, C. Mockel, P. Hartogh, K. Seki, N. M. Schneider, H. Groller, R. V. Yelle, F. Montmessin, J. I. Deighan, S. Jain, B. Jakosky
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
  • 発表場所: 福岡県博多市, 九州大学
  • 年月日: 2016-11-19
• [学会発表] 高分解能分光地上観測による火星大気微量成分・同位体計測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中川広務, 青木翔平, 佐川英夫, 笠羽康正, 前澤裕之
  • 学会等名: アストロバイオロジーワークショップ
  • 発表場所: 宮城県仙台市, 東北大学
  • 年月日: 2016-09-22
• [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: H. Nakagawa, Alexander Medvedev, Chris Mockel, Erdal Yigit, Takeshi Kuroda, Paul Hartogh, Kaori Terada, Naoki Terada, Kanako Seki, Nicholas Schneider, Sonal Jain, Scott Evans, Justin Deighan, William McClintock, Daniel Lo, Bruce Jakosky
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • 発表場所: 千葉県千葉市, 幕張メッセ
  • 年月日: 2016-05-22
  • 招待講演
• [学会発表] Methane and HDO/H2O in the Martian atmosphere studied by ultra-high spectral resolution (2016)
  • 著者名/発表者名: 中川広務, 青木翔平, 佐川英夫, 笠羽康正, 村田功, 高見康介, 鍵谷将人, 坂野井健, Jeffrey Kuhn, Joseph Ritter, 岡野章一, 田口真
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • 発表場所: 千葉県千葉市 幕張メッセ
  • 年月日: 2016-05-22
• [図書] Atmosphere of Mars, Astrobiology (From the Origins of Life to the Search for Extraterrestrial Intelligence) (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Nakagawa (Ed. by A. Yamagishi, T. Kakegawa, and T. Usui)
  • 総ページ数: 14
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9789811336393