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

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01952
• 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: 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) ; 野澤 悟徳 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (60212130) ; 田中 良昌 国立極地研究所, 研究教育系, 特任准教授 (50425766)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 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

研究実績の概要

本研究は、ほぼ同緯度に位置する南極昭和基地と北極EISCATトロムソサイトからの同時観測により、高エネルギー粒子降り込み(EPP)にともなう下部熱圏から成層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ている。そのために、複数の分子種の同時観測を可能にする多周波超伝導ミリ波分光計、降り込み電子の密度やエネルギースペクトルを観測するスペクトルリオメータを新たに導入し、既存のレーダーやナトリウムライダーを組み合わせて観測体制を強化する。イオン化学モデルを含んだ電離圏・熱圏の化学輸送モデルと観測結果との比較、また極夜と白夜の全く異なる光化学環境下での振る舞いの違いも比較することで、高エネルギー粒子降り込み時に生起する様々な素過程を明らかにすることを目的としている。初年度にあたるR2年度は、多周波ミリ波分光計の光学系、超伝導受信機と冷却系、デジタル信号処理系を含めたシステム全体の製作と評価を名古屋大学の実験室で行い、十分なスペックを有していることを確認して昭和基地に輸送し現地での再組み立て作業を開始した。スペクトルリオメータに関しては、装置一式を購入し、アンプ、USRP（受信装置）、制御PCの動作確認を行い、周波数20～60MHz帯の信号を50MS/sで記録できるところまでを確認した。また、EPPで生成されるNO分子のカラム量の時間変化を定量的に解釈するために、ラグランジュ型の粒子拡散モデルであるFREXPARTを中間圏領域まで拡張し、粒子の代わりにボックスを飛ばしボックス内で化学反応計算を行う領域型の化学輸送モデルを開発を始めた。輸送と光化学反応部のモデルができ、今後イオン反応計算部分を改良していく計画である。また、観測データの解釈や機器開発を進める上で、米国コロラド大学(LASP)、ノルウェー北極大学、フィンランドのソダンキラ地球物理観測所と共同研究を推進した。

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

本研究の独創的な観測装置の一つである多周波ミリ波分光計の開発では、多くの開発項目を統合して一つの観測システムにまとめ上げる必要があったが、これまでの要素開発の実績により短期間で実機まで完成させることができた。計画通り概ね順調に進んだ。また、スペクトルリオメータの導入においては、昨年度中に実施予定であった動作確認を終了し、観測制御プログラムを開発している。これも概ね順調に進んでいる。化学輸送モデル開発は若干の遅れが見られ、イオン化学反応部分の実装がまだ完成していない。しかし大枠の構造や途中のデータの受け渡しは設計通りに動いており、未実装部分の実装作業にも大きな障害は見当たらない。
唯一問題であったのは北極側のミリ波分光計で、電波強度の校正に使用する液体窒素製造装置で水漏れがあり観測運用が停止した。故障部位の特定は完了しており修理をすれば観測が再開できるのだが、コロナ禍によりノルウェーに赴くことができないため停止状態が続いている。しかし、その一方でこれまでの課題となっていたレーダーからミリ波分光計への混信の問題を改善するため、11-12月の渡航時(別財源による)に金属製ネットを観測窓に装着し、理論と実測により金属ネットの網目サイズの最適化を行うことができた。レーダーからの混信を大きく低減でき、レーダーとミリ波分光計の同時観測の途が開かれたのは大きな成果であった。
またこの期間に、ミリ波データと衛星観測による高エネルギー電子との相関を調べるため米国のコロラド大学(LASP)、スペクトルリオメータの開発のためフィンランドのソダンキラ 地球物理観測所、中間圏の大気分子の化学変化におけるダストの役割を明らかにするためノルウェー北極大学の研究者らと共同研究を進め、良い成果を得ることができた。
個々の課題で進捗には多少の差異はあるものの、全体としては順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

今後はまず昭和基地での多周波観測の定常運用体制を確立し、その後、ノルウェーでのミリ波の連続観測、昭和基地でのスペクトルリオメータの定常観測を目指し、３年目には全ての観測装置を用いて南北両極からの同時観測を行う予定である。ただし、ノルウェーのミリ波分光計は採択経費削減のため当初計画の多周波化の実現は難しく、周波数を随時切り替える一酸化窒素(NO)とオゾンの交互観測をベースにデータを取得する。
今後の問題点としては、コロナ禍に伴う影響が考えられる。ノルウェーに関しては上の「現在までの進捗状況」にも述べたように現地の修理対応に行くことができず、いつ再開できるのかの目処がまだ立てられないことが最大の問題である。国内で可能な限り考えうる問題点を想定し、対応策をあらかじめ検討しておき、ノルウェーに渡航可能となった時点でできる限り速やかに定常観測を移行できるようにする。スペクトルリオメータに関しては、9月ごろまでに国内で計画していた試験観測を終えなければならないが、これもコロナ禍に伴い実施が遅れている。昭和基地に移設した後に装置に不具合が発見されても、現地では対処できない事態に陥る可能性が大いにありうる。そのため、国内での試験観測を最優先とし、試験観測が実施できない場合は昭和基地への移設を翌年に延ばすことも検討する。延期した場合、本研究へのインパクトは小さく無いが、同装置が今後10年以上にわたり南極域でのモニタリングデータを取得することの重要性を考えた上で判断をしたい。

研究成果

• [国際共同研究] コロラド大学 LASP(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: コロラド大学 LASP
• [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)
  • 国名: ノルウェー
  • 外国機関名: ノルウェー北極大学/EISCAT科学協会
• [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)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: ソダンキラ 地球物理学観測所
• [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.、Tanaka Y.、Kadokura A.、Hosokawa K.、Ebihara Y.、Motoba T.、Gustavsson B.、Brandstrom U.、Sato Y.、Oyama S.、Ozaki M.、Raita T.、Sigernes F.、Nozawa S.、Shiokawa K.、Kosch M.、Kauristie K.、Hall C.、Suzuki S.、Miyoshi Y.、Gerrard A.、Miyaoka H.、Fujii R.
  • 雑誌名: Polar Science 巻: 23 ページ: 100501～100501
  • 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 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 ページ: 71:99
  • DOI: doi.org/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 Tromsoe; 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 ページ: 71:110
  • 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, R. Latteck, 他５名
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 124 ページ: 9626～9639
  • DOI: 10.1029/2019JA026891
  • 査読あり / 国際共著
• [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: 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/