南北両極から探る高エネルギー粒子が大気環境に与える影響の観測的研究

• 研究課題/領域番号: 19H01952
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 水野 亮 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (80212231)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2020年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円); 2019年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

本研究は、南極域昭和基地と北極域EISCATトロムソサイトの南北両極域からの同時観測により、高エネルギー粒子降り込み(EPP)に伴う成層圏から下部熱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、新たな技術を導入し観測情報の範囲拡大とデータ質向上をめざした。
コロナ禍により北極域に渡航できず観測研究すべてを計画通りに進めることはできなかったが、南極域昭和基地では多周波ミリ波分光計、スペクトルリオメータを設置し観測を開始した。特に独自開発の導波菅型周波数マルチプレクサを用いた多周波ミリ波分光計は、地上からのO3, NO, CO, HO2の多輝線ミリ波同時観測を世界で初めて実現させた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

北極および南極では、太陽活動に伴い高エネルギーの荷電粒子が地球に降り込んでくる。こうした高エネルギー粒子は空気分子を電離して窒素酸化物を増加させ、オゾンを破壊するなど地球環境に影響を与える可能性が示唆されている。本研究は、観測データが乏しい地球大気の反応を新たな技術により観測的に明らかにすることを目指したものである。電波信号を周波数帯毎に分離して複数の超伝導受信機に分配し、それらの出力を再合成することで４種類の異なる分子の変動を同時に観測できる装置を開発・実用化し、世界初の地上からのミリ波多輝線大気観測を実現させた。この技術は電波天文学などの他分野のミリ波サブミリ波分光にも応用が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] ノルウェー北極大学/EISCAT科学協会(ノルウェー)
• [国際共同研究] ソダンキラ地球物理学観測所(フィンランド)
• [国際共同研究] ノルウェー北極大学/EISCAT科学協会(ノルウェー)
• [国際共同研究] ソダンキラ地球物理学観測所(フィンランド)
• [国際共同研究] コロラド大学 LASP(米国)
• [国際共同研究] ノルウェー北極大学/EISCAT科学協会(ノルウェー)
• [国際共同研究] ソダンキラ 地球物理学観測所(フィンランド)
• [雑誌論文] Waveguide-Type Multiplexer for Multiline Observation of Atmospheric Molecules using Millimeter-Wave Spectroradiometer. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima, T., Haratani, K., Mizuno, A., Suzuki, K., Kojima, T., Uzawa, Y., Asayama, S., Watanabe, I.
  • 雑誌名: J Infrared Milli Terahz Waves 巻: 41 号: 12 ページ: 1530-1555
  • DOI: 10.1007/s10762-020-00740-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of low-cost multi-wavelength imager system for studies of aurora and airglow (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Polar Science 巻: 23 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.polar.2019.100501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 124 号: 4 ページ: 3110-3124
  • DOI: 10.1029/2019ja026630
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Special issue “Recent Advances in MST and EISCAT/Ionospheric Studies ? Special Issue of the Joint MST15 and EISCAT18 Meetings, May 2017” (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Mamoru、Hocking Wayne K.、Nozawa Satonori、Vierinen Juha、Liu Huixin、Nishitani Nozomu
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 71 号: 1 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1186/s40623-019-1070-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-latitude thermospheric wind study using a Fabry?Perot interferometer at Troms? in Norway: averages and variations during quiet times (2019)
  • 著者名/発表者名: Xu Heqiucen、Shiokawa Kazuo、Oyama Shin-ichiro、Nozawa Satonori
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 71 号: 1 ページ: 110-110
  • DOI: 10.1186/s40623-019-1093-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct comparison between magnetospheric plasma waves and polar mesosphere winter echoes in both hemispheres (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 124 号: 11 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1029/2019ja026891
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Time Variations of Mesospheric Ozone During the Solar Eclipse Observed with AURA/MLS (2022)
  • 著者名/発表者名: Tianliang Yang, Tomoo Nagahama
  • 学会等名: 15th Quadrennial Solar-Terrestrial Physics Symposium (STP-15)
  • 国際学会
• [学会発表] New Millimeter-Wave Spectrometer for Simultaneous Multi-Line Observations Operating at Syowa Station (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Mizuno, Taku Nakajima, Tomoo Nagahama, Daichi Tsutsumi, Genma Mizoguchi, Naoto Sekiya, Takuma Hayashi, Yoshihiro Tomikawa, Mitsumu K. Ejiri, Masaki Tsutsumi, Kaoru Sato
  • 学会等名: Quadrennial Ozone Symposium (QOS 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring Short-term Variations in Mesospheric Ozone due to Large-scale Solar Flares Using a Ground-based Millimeter-wave Radiometer at Rikubestu, Japan and Aura/MLS Ozone Measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoo Nagahama, Akira Mizuno, Taku Nakajima, Tianliang Yang
  • 学会等名: Quadrennial Ozone Symposium (QOS 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Current status of the new multi-frequency millimeter-wave spectrometer installed at Showa Station and initial results of multi-line observations (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Mizuno, Daichi Tsutsumi, Takahiko Kosegaki, Hiroyuki Iwata, Kouki Satani, Taku Nakajima, Kohei Haratani, Tomoo Nagahama, Syoki Iriyama, Genma Mizoguchi, Shixun Fan, Naoto Sekiya, Takuma Hayashi, Masaki Tsutsumi, Yoshihiro Tomikawa, Mitsumu K. Ejiri, Kaoru Sato
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2021
• [学会発表] Development of spectral riometer for observation of energetic electron precipitation at Syowa Station, Antarctica (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimasa Tanaka, Masayuki Yamamoto, Koji Nishimura, Hisao Yamagishi, Antti Kero, Akira Kadokura, Akira Mizuno, Akira Sessai Yukimatu, Herbert Akihito Uchida, Ryuho Kataoka, Yasunobu Ogawa, Takanori Nishiyama, Masaki Tsutsumi, Mitsunori Ozaki, Yoshizumi Miyoshi, Shin-ichiro Oyama, Fuminori Tsuchiya
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2021
• [学会発表] 200 GHz帯直列接合型SIS素子の開発：伝送線路と雑音温度特性の関係性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中島拓, 溝口玄真, 山口倫史, 加藤智隼, 藤森隆彰, 藤井由美, 水野亮, 江崎翔平, 宮地晃平, 藤井泰範, 小嶋崇文, Shan Wenlei, 鵜澤佳徳, 野口卓
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季年会
• [学会発表] 大気微量分子観測のための200 GHz 帯SIS 受信機の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 溝口玄真、中島拓、藤森隆彰、水野亮、鵜澤佳徳、小嶋崇文、藤井泰範、Shan Wenlei、宮地晃平、江崎翔平
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ノルウェー・トロムソにおけるミリ波分光観測装置を用いた中層大気微量分子観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中島拓, 後藤宏文, 長濱智生, 野澤悟徳, 大山伸一郎, 三好由純, 川端哲也, 鈴木和司, 児島康介, 藤森隆彰, 水野亮
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第150回総会・講演会
• [学会発表] ノルウェー・トロムソにおけるNO柱密度の導出と、高エネルギー電子の降り込みとの関係性の考察に関する研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 後藤宏文, 中島拓, 長濱智生, 野澤悟徳, 児島康介, 川端哲也, 藤森隆彰, 鈴木和司, 小川泰信, 水野亮
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第150回総会・講演会
• [学会発表] 南極昭和基地におけるスペクトルリオメータ観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中良昌, 山本真之, 西村耕司, 山岸久雄, Antti Kero, 門倉昭, 水野亮, 行松彰, 内田ヘルベルト陽仁, 片岡龍峰, 小川泰信, 西山尚典, 堤雅基, 尾崎光紀, 三好由純, 大山伸一郎, 土屋史紀
  • 学会等名: 南極における宙空圏研究・観測の将来構想に関する研究集会
• [学会発表] JARE63における南極昭和基地でのスペクトルリオメータ観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中良昌, 山本真之, 西村耕司, 山岸久雄, Antti Kero, 門倉昭, 水野亮, 行松彰, 内田ヘルベルト陽仁, 片岡龍峰, 小川泰信, 西山尚典, 堤雅基, 尾崎光紀, 三好由純, 大山伸一郎, 土屋史紀
  • 学会等名: MTI研究集会
• [学会発表] 南極/北極における中層大気環境計測のための広帯域ミリ波分光ラジオメータの開発研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中島拓, 溝口玄真, 齊藤善治, 長濱智生, 水野亮, 谷口暁星, 藤森隆彰, 児島康介, 小林和宏, 鈴木和司, 林拓磨, 關谷尚人, 田島治, 安達俊介, 大塚稔也, 小嶋崇文, 鵜澤佳徳, 藤井泰範, SHAN Wenlei, 江崎翔平, 宮地晃平, 渡邊一世
  • 学会等名: 第21回 ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [学会発表] 200GHz帯広帯域広ダイナミックレンジ超伝導ミクサの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 溝口玄真、中島拓、水野亮、藤森隆彰、小嶋崇文、鵜澤佳徳、藤井泰範、SHAN Wenlei、江崎翔平、宮地晃平
  • 学会等名: 第21回 ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [学会発表] Research on a Next-Generation Ground-Based Millimeter-Wave Atmospheric Radiometer (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Nakajima, G. Mizoguchi, Y. Saito, T. Nagahama, and A. Mizuno
  • 学会等名: The 21st EA Sub-mm-wave Receiver Technology Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 大規模太陽フレアによる中間圏オゾン短期変動の検出可能性に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長濱智生, 水野亮, 中島拓
  • 学会等名: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会の総会および講演会
• [学会発表] Analysis of the mesospheric ozone enhancement event in the Arctic winter with a new ISEE Chemical Lagrangian Model (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤田健、長濱智生、中西慎吾
  • 学会等名: JpGU _ AGU Joint Meeting 2020:Virtual
• [学会発表] Development of a new ISEE Chemical Lagrangian Model to elucidate the atmospheric composition changes in the mesosphere (2020)
  • 著者名/発表者名: 長濱智生、中西慎吾、藤田健、中島拓、水野亮
  • 学会等名: JpGU _ AGU Joint Meeting 2020:Virtual
• [学会発表] 多輝線同時観測分光観測装置に用いる超伝導DB-BPFの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林拓磨、關谷尚人、中島拓、小瀬垣貴彦
  • 学会等名: 2020年電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本天文学会2020年春季年会
• [学会発表] 次世代大気ミリ波分光計の導波管回路の開発と評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐谷昂樹、中島拓、水野亮、渡邊一世、笠松章史、落合啓
  • 学会等名: 2019年度先端ICTデバイスラボ・ワークショップ
• [学会発表] Simultaneous observation of magnetospheric plasma waves and PMWE observed by Arase satellite and MST radars (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: SuperDARN Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Research activity and instrumental development for microwave measurements at Nagoya University (2019)
  • 著者名/発表者名: A.Mizuno
  • 学会等名: NDACC Science Workshop in Tsukuba
  • 国際学会
• [学会発表] Monitoring of Minor Constituents in the Middle Atmosphere at Polar Regions with the Millimeter-Wave Spectroradiometer (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nakajima, T. Nagahama, A. Mizuno
  • 学会等名: Chemical Aeronomy in the Mesosphere and Ozone in the Stratosphere (CHAMOS) Workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Advanced tools for research on upper atmosphere and their future perspective (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanaka, N. Umemura, A. Shinbori, S. Abe, S. Ueno, M. Nose
  • 学会等名: World Data System Asia-Oceania Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Statistical study of Sporadic Sodium Layer (SSL) observed at Tromsoe (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Nozawa, T. T. Tsuda, N. Saito, T. Takahashi, T. Kawahara, Y. Ogawa, H. Fujiwara, S. Wada, Y. Ogawa, C. Hall, and A. Brekke
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
• [学会発表] Atmospheric responses in both hemispheres to relativistic electron precipitation (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
• [学会発表] Statistical study of Sporadic Sodium Layer (SSL) observed at the high latitude station at Tromsoe (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Nozawa, T. T. Tsuda, N. Saito, T. Takahashi, T. Kawahara, Y. Ogawa, H. Fujiwara, S. Wada, T. Kawabata, C. Hall, and A. Brekke
  • 学会等名: The Tenth Symposium on Polar Science
• [学会発表] Development of multi-frequency mm-wave spectrometer for atmospheric observation (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The Tenth Symposium on Polar Science
• [学会発表] Spectral riometer observation of atmospheric iononization due to energetic electron precipitation (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The Tenth Symposium on Polar Science
• [学会発表] Conjugate observation of magnetospheric plasma waves and polar mesosphere winter echoes by Arase satellite and MST radars in both hemispheres (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The Tenth Symposium on Polar Science
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中西慎吾、長濱智生、水野亮、中島拓、石島陸
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中西慎吾、長濱智生、水野亮、中島拓、石島陸
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第146回総会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 入山奨基、中島拓、長濱智生、水野亮、藤井泰範
  • 学会等名: 日本天文学会2019年秋季年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小瀬垣貴彦、中島拓、長濱智生、水野亮、林拓磨、關谷尚人
  • 学会等名: 日本天文学会2019年秋季年会
• [学会発表] Development of a Waveguide-Type Multiplexer for Millimeter-Wave Receiver with Wide RF Range (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Nobeyama Science Workshop -令和元年-
• [学会発表] Development of Low Noise and High Dynamic Range SIS Mixer in Millimeter Band (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Nobeyama Science Workshop -令和元年-
• [備考] 名古屋大学宇宙地球環境研究所 水野研究室
  • URL: https://skx1.isee.nagoya-u.ac.jp/
• [備考] ナトリウム温度ライダープロジェクト
  • URL: https://www.isee.nagoya-u.ac.jp/~nozawa/LIDAR/
• [備考] 名古屋大学宇宙地球環境研究所 水野研究室
  • URL: https://skx1.isee.nagoya-u.ac.jp/index.html
• [備考] 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
• [備考] 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/