火星大気における水環境進化理解のための観測的実証研究

• 研究領域: 水惑星学の創成
• 研究課題/領域番号: 20H04605
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 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)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 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: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 火星 / 水 / オーロラ / 太陽高エネルギー粒子 / 大気 / 進化 / 水環境進化 / ハビタブル / RSL / 太陽放射線 / 水循環 / 観測

研究開始時の研究の概要

水をたたえたハビタブル惑星から寒冷乾燥した惑星へと変遷を経た火星. このような気候変動を理解することは地球型惑星の水環境進化の解明に本質的であるが, 宇宙空間へ流出および地下へ取り込まれた水の定量的な見積もりやそのメカニズムはわかっていない. 本研究の目的は, ハビタブル環境の持続性つまり火星における水環境進化の理解に向けて, 現在の火星における水・物質循環の観測的実証である. 散逸大気の源となる超高層大気が, 太陽変動・下層大気により変動する様子を明らかにし, それらが過去40億年にわたり火星の気候変動にどのように影響を及ぼしてきたのかを理解する.

研究実績の概要

水をたたえたハビタブル惑星から寒冷乾燥した惑星へと変遷を経た火星。このような気候変動を理解することは地球型惑星の水環境進化の解明に本質的であるが、宇宙空間へ流出および地下へ取り込まれた水の定量的な見積もりやそのメカニズムはわかっていない。 計画Aでは、地下水圏/表層水と大気との水のやりとりを計画、Bでは 水の新たな高速散逸プロセスが水環境進化に与える影響を定量的に評価すること、計画Cでは大気深部にまで達する太陽放射線とそれに伴うオーロラ現象が水環境・大気組成に与える影響を定量的 に評価することを目指した。計画Aでは、大気大循環モデルを用いた詳しい数値実験を行った結果、斜面上に現れる暗い筋模様(RSL)からの水漏出に代表される地下水圏/表層と大気との水やりとりを捉えるための観測必要精度を規定することができた。計画Bでは、最新探査機データを解析することにより、ダストストーム時・近日点付近においてダスト加熱による大気膨張・ハイグロポーズ消失・大気循環強化・乱流活動増大により水の新たな高速散逸パスが形成される様子や散逸大気組成が変動する様子を明らかにした。計画Cでは、太陽高エネルギー粒子降り込みに伴うオーロラ発光を再現することに成功し、数MeVの陽子が重要な役割を果たしていることが明らかとなった。同時に地球同様HOxによるオゾン破壊が火星でも起こりうることを示唆し、必要な観測精度を検証した。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] コロラド大学/ヴァージニア大学/アリゾナ大学(米国)
• [国際共同研究] ベルギー王立宇宙航空研究所(ベルギー)
• [国際共同研究] LATMOS/CNES/LESIA, Paris Observatory(フランス)
• [国際共同研究] コロラド大学/ハワイ大学/アリゾナ大学(米国)
• [国際共同研究] LATMOS(フランス)
• [雑誌論文] Can we constrain the origin of Mars' recurring slope lineae using atmospheric observations? (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa Hiroyuki、Kuroda Takeshi、Aoki Shohei、Nakagawa Hiromu
  • 雑誌名: Icarus 巻: 371 ページ: 114688-114688
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114688
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Martian moons exploration MMX: sample return mission to Phobos elucidating formation processes of habitable planets (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuramoto Kiyoshi et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 74 号: 1 ページ: 12-12
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01545-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Mars system revealed by the Martian Moons eXploration mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Ogohara Kazunori、Nakagawa Hiromu、Aoki Shohei et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 74 号: 1 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01417-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mars’ atmospheric neon suggests volatile-rich primitive mantle (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa Hiroyuki、Miura Yayoi N.、Sugita Seiji、Cho Yuichiro、Leblanc Francois、Terada Naoki、Nakagawa Hiromu
  • 雑誌名: Icarus 巻: 370 ページ: 114685-114685
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114685
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Science operation plan of Phobos and Deimos from the MMX spacecraft (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Tomoki、Ikeda Hitoshi、Kouyama Toru、Nakagawa Hiromu et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 73 号: 1 ページ: 227-227
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01546-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In situ observations of ions and magnetic field around Phobos: the mass spectrum analyzer (MSA) for the Martian Moons eXploration (MMX) mission (2021)
  • 著者名/発表者名: Yokota Shoichiro、Terada Naoki、Matsuoka Ayako、Murata Naofumi、Saito Yoshifumi、Delcourt Dominique、Futaana Yoshifumi、Seki Kanako、Schaible Micah J.、Asamura Kazushi、Kasahara Satoshi、Nakagawa Hiromu、Nishino Masaki N.、Nomura Reiko、Keika Kunihiro、Harada Yuki、Imajo Shun
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 73 号: 1 ページ: 216-216
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01452-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MIRS: an imaging spectrometer for the MMX mission (2021)
  • 著者名/発表者名: Barucci Maria Antonietta、Reess Jean-Michel、Bernardi Pernelle、Doressoundiram Alain、Fornasier Sonia、Le Du Michel、Iwata Takahiro、Nakagawa Hiromu et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 73 号: 1 ページ: 211-211
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01423-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Seasonal and Dust‐Related Variations in the Dayside Thermospheric and Ionospheric Compositions of Mars Observed by MAVEN/NGIMS (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Nao、Terada Naoki、Nakagawa Hiromu、Brain David A.、Sakai Shotaro、Nakamura Yuki、Benna Mehdi、Masunaga Kei
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 126 号: 11
  • DOI: 10.1029/2021je006926
  • 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] Vertical Propagation of Wave Perturbations in the Middle Atmosphere on Mars by MAVEN/IUVS (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa Hiromu、Terada Naoki、Jain Sonal K.、Schneider Nicholas M.、Montmessin Franck、Yelle Roger V.、Jiang Fayu、Verdier Loic、England Scott L.、Seki Kanako、Fujiwara Hitoshi、Imamura Takeshi、Yoshida Nao、Kuroda Takeshi、Terada Kaori、Gr?ller Hannes、Deighan Justin、Jakosky Bruce M.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 125 号: 9 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1029/2020je006481
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Seasonal and Latitudinal Variations of Dayside N 2 /CO 2 Ratio in the Martian Thermosphere Derived From MAVEN IUVS Observations (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida N.、Nakagawa H.、Terada N.、Evans J. S.、Schneider N. M.、Jain S. K.、Imamura T.、Chaufray J.‐Y.、Fujiwara H.、Deighan J.、Jakosky B. M.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 125 号: 12 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1029/2020je006378
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Design for stray-light reduction to a Martian ionospheric imager (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiromu Nakagawa, Atsushi Yamazaki, Keigo Enya, Naofumi Fujishiro, Naoki Terada, Kanako Seki
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 59 号: 32 ページ: 9937-9937
  • DOI: 10.1364/ao.401523
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 火星・金星微量大気の分光観測で目指す 物質輸送・化学プロセスの理解 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉田奈央, 中川広務, 青木翔平, 寺田直樹, Severine Robert, Ann Carine Vandaele, TGO/NOMADチーム
  • 学会等名: 惑星圏研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Variation of CO/CO2 profile in the Martian middle atmosphere observed by TGO/NOMAD (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田 奈央、中川 広務、青木 翔平、Erwin Justin、Vandaele Ann Carine、村田 功、Thomas Ian、Frank Daerden、Lori Neary、小山 俊吾、寺田 直樹、笠羽 康正、Bojan Ristic、Manish Patel、Giancarlo Bellucci、Jose-Juan Lopez-Moreno
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [学会発表] 火星熱圏密度中にみられる波状擾乱の年変動 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中川 広務、吉田 奈央、寺田 香織、寺田 直樹、原田 裕己、堺 正太朗、今村 剛、藤原 均、関 華奈子
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [学会発表] Impacts of solar energetic particles at Mars: Global diffuse aurora and atmospheric chemistry (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村 勇貴、寺田 直樹、Leblanc Francois、中川 広務、堺 正太朗、晝場 清乃、片岡 龍峰、村瀬 清華
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • 招待講演
• [学会発表] Modeling diffuse auroral emissions at Mars: Contribution of precipitating protons and mirror effects of crustal fields (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村 勇貴、寺田 直樹、Leblanc Francois、中川 広務、堺 正太朗、晝場 清乃、片岡 龍峰、村瀬 清華
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [学会発表] 太陽高エネルギー粒子が火星オゾン大気に与える影響の評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 晝場 清乃、中村 勇貴、中川 広務、寺田 直樹、堺 正太朗、村田 功、二穴 喜文
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [学会発表] Modeling of SEP induced auroral emission at Mars: Contribution of precipitating protons and effects of crustal fields (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nakamura, Naoki Terada, Francois Leblanc, Hiromu Nakagawa, Shotaro Sakai, Sayano Hiruba, Ryuho Kataoka and Kiyoka Murase
  • 学会等名: EGU
  • 国際学会
• [学会発表] Mesospheric response during 2018 planetary encircling dust event on Mars (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Nakagawa, S. Gupta, S. Jain, N. Schneider, J. Fayu, R. Yelle, L. Verdier, F. Montmessin; Tohoku Univ., Univ. Colorado, Univ. Arizona, LATMOS
  • 学会等名: 惑星圏研究会
• [学会発表] リム観測による火星大気鉛直構造の解明を目指す新大気リトリーバル技術の検証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小暮李成, 笠羽康正, 青木翔平, Arnaud Mahieux, 中川広務, 佐藤隆雄, 黒田剛史, 吉田奈央, 岩渕弘信, 出村裕英
  • 学会等名: 惑星圏研究会
• [学会発表] Numerical prediction of changes in atmospheric compositions during SEP events at Mars (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nakamura, Naoki Terada, Francois Leblanc, Ali Rahmati, Hiromu Nakagawa, Shotaro Sakai, Sayano Hiruba, Ryuho Kataoka, and Kiyoka Murase
  • 学会等名: SGEPSS
• [学会発表] TGO/NOMADからリトリーバルした火星中間圏・下部熱圏の CO/CO2分布の変動 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, N., H. Nakagawa, S. Aoki, J. Erwin, A. C. Vandaele, I. Murata, I. Thomas, F. Daerden, L. Neary, L. Trompet, S. Koyama, N. Terada, Y. Kasaba, B. Ristic, M. Patel, G, Bellucci, and J. J. Lopez-Moreno
  • 学会等名: SGEPSS
• [学会発表] リム観測による火星大気鉛直構造の解明を目指す新大気リトリーバル技術の検証 (2021)
  • 著者名/発表者名: Risei Kogure, Shohei Aoki, Arnaud Mahieux, Hiromu Nakagawa, Takeshi Kuroda, Yasumasa Kasaba, Sato Takao, Nao Yoshida , Hirohide Demura
  • 学会等名: SGEPSS
• [学会発表] 太陽高エネルギー粒子が火星オゾンに与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: Sayano Hiruba, Hiromu Nakagawa, Yuki Nakamura, Naoki Terada, Isao Murata, Shotaro Sakai and Yoshifumi Futaana
  • 学会等名: SGEPSS
• [学会発表] 火星熱圏・電離圏にみら れる密度擾乱の励起源 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中川広務, Scott England, 吉田奈央, 堺正太朗, 原田裕己, Mehdi Benna, 寺田香織, 寺田直樹, 藤原均, 今村剛, 関華奈子
  • 学会等名: SGEPSS
• [学会発表] 火星衛星探査計画MMXによる火星気象観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青木翔平, 中川広務, 小郷原一智, 今村剛, 神山徹, 今井正尭, 佐藤隆雄, 佐川英夫, 益永圭, 寺田直樹, 臼井寛裕, MMX火星圏サブサイエンスチーム
  • 学会等名: 日本気象学会秋季大会
• [学会発表] 地球型惑星大気にみられる乱流拡散係数の多様性 (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Nakagawa, N. Yoshida, H. Fujiwara, N. Terada, T. Imamura, K. Seki, S. Aoki, Y. Kasaba
  • 学会等名: 日本気象学会秋季大会
• [学会発表] 地球型惑星大気にみられる乱流拡散係数の多様性 (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Nakagawa, N. Yoshida, H. Fujiwara, N. Terada, T. Imamura, K. Seki, S. Aoki, Y. Kasaba
  • 学会等名: 日本惑星科学会
• [学会発表] Influences of solar energetic particles on the Mar-tian ozone (2021)
  • 著者名/発表者名: 晝場清乃,中川広務,中村勇貴,寺田直樹,堺正太朗,村田功,二穴喜文
  • 学会等名: 日本惑星科学会
• [学会発表] Variation of CO/CO2 profiles in the Martian mesosphere and lower thermosphere retrieved from TGO/NOMAD (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, N., H. Nakagawa, S. Aoki, J. Erwin, A. C. Vandaele, I. Murata, I. Thomas, F. Daerden, L. Neary, S. Koyama, N. Terada, Y. Kasaba, B. Ristic, M. Patel, G. Bellucci, and J.-J. Lopez Moreno
  • 学会等名: EPSC
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling of diffuse auroral emission at Mars: Contribution of MeV protons (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nakamura, Naoki Terada, Francois Leblanc, Ali Rahmati, Hiromu Nakagawa, Shotaro Sakai, Sayano Hiruba, Ryuho Kataoka and Kiyoka Murase
  • 学会等名: AGU
  • 国際学会
• [学会発表] Day-night variation of O2/CO2 in Mars lower thermosphere (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiromu Nakagawa, Roger V Yelle, Fayu Jiang, Sonal Jain, Loic Verdier, Franck Montmessin, Nao Yoshida, Nicholas McCord Schneider, Francisco Gonzalez-Galindo, Naoki Terada, Hitoshi Fujiwara, Takeshi Imamura, Kaori Terada, Justin Deighan, Bruce Martin Jakosky
  • 学会等名: AGU fall meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 米欧火星探査機群観測データによる新大気リトリーバル技術の検証 (2) ~欧 ExoMars Trace Gas Orbiter および 日 MMX への応用展開 準備~ (2020)
  • 著者名/発表者名: 中川 広務, 笠羽 康正, 青木 翔平, Mahiaux Arnaud, 小暮 李成, 岩渕 弘信, 出村 裕英
  • 学会等名: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [学会発表] Day-night variation of O2/CO2 in Mars lower thermosphere (2020)
  • 著者名/発表者名: 中川 広務, 吉田 奈央, 寺田 直樹, 藤原均, 今村剛, 寺田香織, 関 華奈子, Schneider Nicholas M, Jain Sonal, Yelle Roger V, Montmessin Franck, Groller Hannes, Jakosky Bruce M
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第148回総会・講演会プログラム
• [学会発表] A warm layer in the nightside mesosphere of Mars (2020)
  • 著者名/発表者名: 中川 広務, Jain Sonal, Schneider Nicholas, Montmessin Franck, Yelle Roger, Jiang Fayu, erdier Loic, 黒田 剛史, 吉田 奈央, 藤原 均, 今村 剛, 寺田 香織, 寺田 直樹, 関 華奈子, Groller Hannes, Deighan Justi
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [学会発表] 中間赤外中空ファイバを用い たレーザーヘテロダイン分光器の 信号取得効率の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 塚田 悟輝, 中川 広務, 村田 功, 平原 靖大, 笠羽 康正, 片桐 崇史, 松浦 祐司, 宮本 明歩, 山崎 敦
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第148回総会・講演会