火星水循環・水流出における表層-大気-宇宙間結合の研究

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K05566
• 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): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 火星 / 水 / 大気進化

研究実績の概要

表層・大気相互作用を理解するため、成層圏望遠鏡SOFIAを用いて火星メタン・水同位体の高精度観測を実施した。我々の観測ではメタンを検出することができず、先行研究よりも高精度な上限値1-9ppbを得る結果となり、表層からの希ガス放出は（存在するならば）散発的もしくは局所的現象であることを示唆している [Aoki et al., 2017]。
開発を進めてきた超高分解能赤外ヘテロダイン分光器を用いた火星観測に2017年9月初めて成功した。帯域を1.0GHzから2.5GHzに広帯域化することで年間を通じた連続観測が可能になり、また、冷凍機の問題も解決の目処がたったことから、2018年夏の火星大接近に向けて観測準備を進める。
下層―上層間の水鉛直輸送のメカニズムを理解するために、NASA火星探査衛星MAVEN観測データの解析を進めた。その結果、下層大気（高度20km）から宇宙に散逸しうる超高層大気（高度250km）にいたるまで、物質の鉛直輸送に重要な役割を担う大気重力波と考えられる小規模波状構造が密度・温度分布に広範囲・定常的に存在することが明らかになった。観測された大気波動は、地球大気のそれの10倍にも及ぶ大振幅であることがわかり[England et al., 2017; Terada et al., 2017]、対流不安定に伴う砕破による乱流運動・運動量輸送を通じて、大気大循環や物質鉛直輸送に大きな影響を及ぼしうる。特に、近日点（南半球夏）に重力波の活動が活発になることがわかり[Nakagawa et al., submitted to JGR]、同季節に報告されている水素散逸量の増大・高高度における水蒸気層の形成と表層付近の水蒸気が大気重力波を介してどのように結合するのか理解する手がかりとなる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

成層圏望遠鏡SOFIAを用いて火星の表層から放出される希ガスに関する観測を実施した。メタンについての成果は、Aoki et al. (2017)にまとめられ査読雑誌Astron. Astrophys.に出版済みである。
開発を進めてきた赤外ヘテロダイン分光器の改修が完了した。本装置を火星大気観測に適応することができれば、その高い波長分解能から地球大気吸収と火星シグナルを完全に分離することができ、水同位体など微量大気検出に有効である[Nakagawa et al., 2016]。2017年9月にはハワイ・ハレアカラ山頂にある東北大学60cm望遠鏡T60に実装した赤外ヘテロダイン分光器を用いて初の火星観測に成功することができた。
超高層大気中の水流出の時間変動が明らかになりつつある一方で（e.g., Bhattacharyya et al., 2017）、高高度への水鉛直輸送のメカニズム（Fedorova et al., 2018）が不明なままである。本研究は、特に下層―上層間の水鉛直輸送メカニズムに着目し、MAVENデータ解析を推進した。その結果、小規模大気重力波が火星上層大気に大きな影響を及ぼしうるという新たな知見が得られ、その成果はTerada et al. (2017)およびEngland et al. (2017)にまとめられ査読雑誌J. Geophys. Res.に出版済みである。大気重力波が水を含む物質鉛直輸送に与える影響について明らかにすべく研究を推進し、その一部は、Nakagawa et al. (submitted to JGR)として、査読雑誌J. Geophys. Res.に投稿済みである。

今後の研究の推進方策

成層圏望遠鏡SOFIAで得られた火星水同位体の分布変化について解析を進め、表層―大気間の水循環の定量的理解につなげる。火星大接近を迎える2018年夏に向けて、赤外ヘテロダイン分光器を用いた火星観測の準備を進め、その独自観測から水循環の変動を明らかにする。PLANETS望遠鏡建設計画はH30年度の目処がたっていないため、現状実装しているT60を使った集中観測を予定する。今年度本経費および別経費で準備した冷凍機を新たに実装することで連続観測を実現する。そのためのハワイにおける数週間から1ヶ月程度の観測期間を予定する。また、欧米の火星探査衛星TGO・MAVENと連携し、観測計画を立案するため、チーム会合への参加を予定する。
引き続き、飛翔体観測データ解析を中心に、下層―上層間の水鉛直輸送メカニズムを定量的に明らかにするとともにそれが超高層大気中の水流出に与える影響について理解すべく、MAVENのデータ解析をさらに推進する。そのための研究打ち合わせをコロラド大学にて3月に実施済みであり、検討を既に開始している。また、今年夏に本格始動する欧州火星探査衛星TGOの観測・データ解析支援を実施する。数週間から１ヶ月程度MAVEN・TGO研究機関（コロラド大学・ベルギー宇宙物理学研究所）への滞在を予定する。

研究成果

• [国際共同研究] コロラド大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: コロラド大学
• [国際共同研究] ベルギー宇宙物理研究所(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: ベルギー宇宙物理研究所
• [雑誌論文] Mesospheric CO2 ice clouds on Mars observed by the Planetary Fourier Spectrometer onboard Mars Express (2018)
  • 著者名/発表者名: Aoki, S., Y. Sato, M. Giuranna, P. Wolkenberg, T. Sato, H. Nakagawa, Y. Kasaba
  • 雑誌名: Icarus 巻: 302 ページ: 175-190
  • DOI: doi:10.1016/j.icarus.2017.10.047
  • 査読あり / 国際共著
• [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: doi.org/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: J. Geophys. Res. 巻: 122 ページ: 2374-2397
  • DOI: doi:10.1002/2016JA023476
  • 査読あり / 国際共著
• [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.M. Jakosky
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 122 ページ: 2310-2335
  • DOI: doi:10.1002/2016JA023475
  • 査読あり / 国際共著
• [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