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太陽地球系結合過程の研究基盤形成 Study of Coupling Processes in the Solar-Terrestrial System

太陽地球系結合過程の研究基盤形成 Study of Coupling Processes in the Solar-Terrestrial System 津田 敏 隆・山本衛（ 京都大学生存圏研究所 ） 湯元清文（九州大学宙空環境研究センター 塩川和夫（名古屋大学太陽地球環境研究所） 川勝康弘（宇宙航空研究開発機構） 原弘久（国立天文台）. 報告者：　 藤井良一 （名古屋大学副総長）. 1/11. 課題：　太陽地球系結合過程の研究基盤形成

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太陽地球系結合過程の研究基盤形成 Study of Coupling Processes in the Solar-Terrestrial System

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Presentation Transcript

  1. 太陽地球系結合過程の研究基盤形成 Study of Coupling Processes in the Solar-Terrestrial System 津田 敏隆・山本衛（京都大学生存圏研究所） 湯元清文（九州大学宙空環境研究センター 塩川和夫（名古屋大学太陽地球環境研究所） 川勝康弘（宇宙航空研究開発機構） 原弘久（国立天文台） 報告者：　藤井良一 （名古屋大学副総長） 1/11

  2. 課題：　太陽地球系結合過程の研究基盤形成 1950年代より幾多の国際共同研究プロジェクト(IGY, IMS, MAP, STEP, CAESES: Climate and Weather of the Sun-Earth System 等)により総合的かつ継続的に研究されてきた、太陽から大気圏に至る広い領域における太陽地球系結合過程を研究対象とする。未解明な課題のうち、地球上で最も活発で特異な変動を示す赤道大気の地上総合拠点観測、ならびに太陽活動の変動特性の衛星観測を推進する。 【関連分野：　［3］エネルギー・環境・地球科学、［6］宇宙空間科学】 SCOSTEP　（太陽地球系物理学・科学委員会） CAWSES-II (Climate And Weather of the Sun-Earth System – II) （太陽地球系の気候と天気-II） 2009 - 2013 http://www.cawses.org/wiki/index.php/Main_Page 2/11

  3. サブ課題(1)： 地球上で最も大気擾乱現象が活発なインドネシアに総合観測拠点・赤道MUレーダーを設置し、地表付近の境界層から対流圏、中層大気、超高層大気に至る大気圏（～高度約 1,000 km）で共通して起こっているエネルギー・物質の噴流・循環過程（赤道ファウンテン現象）を解明する。さらに大気質、大気光等の広域観測網、宙空圏の地磁気全球観測（MAGDAS）を整備し、数値モデルを活用することにより、このファウンテンの地球規模の広がり、ならびに太陽活動・宇宙嵐が下層に与える影響を理解する。 サブ課題(2)： 太陽ダイナモ、コロナ加熱、フレアの発生機構を解明し、太陽活動の地球への影響を理解するため、太陽観測衛星SOLAR-Cを整備し、日震学手法による太陽表層下の流速場の測定と併せて、太陽表面・コロナの多波長域かつ超高分解能観測を実現する。 3/11

  4. 太陽活動度が気候変動に与える影響の研究 (CAWSES-II サブテーマ1） 中世温暖期 小氷期 北半球平均気温 宇宙線生成核種Δ14C（太陽活動指標） 熱帯アンデス氷河 太陽活動と長期の地球の気候変動に相関があることが明らかになっており、CAWES-IIの重要な研究対象として取り上げられた。さらに最近では、太陽の11年周期変動が地球の気候変動に相関するとの指摘もある。 Kirkby (Surv Geophys. 2007) 2000 1000 4/11 西暦

  5. 赤道を中心とする地球大気の上下結合＝赤道ファウンテン赤道を中心とする地球大気の上下結合＝赤道ファウンテン • 赤道域で地表から放出される大気物質は、対流圏を循環しつつ積雲や巻雲の生成・発達に寄与し、さらに対流圏界面を通過して成層圏に噴出され中高緯度に広く輸送される。 • 赤道対流圏を源泉とする大気波動は中層大気の特異な長周期・不規則変動を駆動する。 • 電離圏では中性風によるダイナモ電場が地球磁場と相互作用してプラズマを噴き上げる。 • 以下の課題に取り組む。 • 陸面・海洋からの物質噴出と対流圏内の物質循環 • 大気波動エネルギーの発生・輸送 • 対流圏界面からの物質流入と中層大気大循環 • 力学・電磁力学的結合によるエネルギー交換とプラズマ密度変動 5/11

  6. サブ課題(1) -1 研究拠点整備赤道大気総合観測所に赤道MUレーダーを新設 インドネシアに設置された赤道大気観測装置 熱圏・電離層 (60- 1,000 km) 中間圏 (50-90 km) 成層圏 (15-50 km) 対流圏 (0-15 km) 主要事業として、既存EARの約10倍の探知能力を持ち、分散型送受信システムを備えた大型大気レーダー（MUレーダー級）を導入する。 VHF 電離層レーダー 大気光イメージャGPS シンチレーション アイオノゾンデ ライダー 流星レーダー MF レーダー 気球・ラジオゾンデ RASS 気象レーダー 放射計 レーダー干渉計 赤道大気レーダー（ＥＡＲ） 6/11

  7. I V a) 太陽放射エネルギー 電離層電流 誘導電流 7/11 太陽エネルギーが地球環境に及ぼす影響のメカニズムを解明 i) 太陽光エネルギー 下層の赤道大気を加熱 　超高層に電流を生成 ii) 太陽風電磁エネルギー超高層のプラズマに直接作用 太陽圏から大気圏までの結合過程の解明が急務である。 電気伝導度σ + Δσ b) 太陽風エネルギー 全球地磁気観測網 MAGDAS

  8. サブ課題 (1)-2広域地上観測ネットワークの拡充 既存 新規雷観測 新規 新規磁力計 北海道大　　東北大　　信州大　　気象研　　 NICT　 極地研　 東京大　名古屋大　 京都大　 九州大　　　 オーロラ電波 SDレーダー NOx,O3観測 太陽磁場・光学 磁場・GPS等 太陽電波 磁場・GPS等 TBD 磁場・GPS等 エアロゾル 磁場・GPS等 太陽風 光学観測 光学観測 光学観測 赤道大気総合観測所 全球地磁気観測網 MAGDAS 銀河宇宙線 NOx,O3観測 8/11

  9. サブ課題(2)：　太陽観測衛星 SOLAR-C 地球に影響を及ぼす太陽磁気活動の解明へ • 太陽からの放射量変動や地球の磁気・大気環境変動を支配する太陽磁気活動源（ダイナモ機構）や太陽大気加熱への理解が鍵 • 先端的機器による観測精度の向上と未観測領域へのアクセスによるブレークスルー • 長期的な太陽観測の重要性（地上・宇宙からの観測ともに） 9/11

  10. サブ課題(2) SOLAR-C衛星太陽磁気活動の解明へ向けて • 太陽大気加熱機構の理解へ • 地球への放射量を支配する太陽大気加熱機構 • 複数の微細磁気構造が関わる大気加熱現場を観測 • 画像観測と分光観測による未踏微細領域への挑戦 • 高解像度観測を主体する常時リンク型の太陽軌道天文台SOLAR-C • 太陽磁場生成機構(ダイナモ)の理解へ SOLAR-Cの課題 • 地球近傍宇宙環境変動を支配する太陽ダイナモ機構 • 局所的にはたらくダイナモへの理論と高解像度磁場観測からの挑戦 • 全緯度にわたる太陽表層下のダイナミックスを観測 • 次の磁気周期を特徴づける高緯度・極領域磁場の起源にせまる SOLAR-Cの後の衛星計画の課題 • 磁場生成領域と考えられている対流層底部の詳細探査　 • 大局的なダイナモ機構の究極的な理解のため、全面観測を主体とする黄道面脱出型の太陽軌道天文台の実現へ 10/11

  11. 計画概要 研究組織 計画責任者： 　　津田敏隆（京都大学生存圏研究所・教授・所長） 共同研究者： 　　山本衛（京都大学生存圏研究所・教授・所長） 　　湯元清文（九州大学宙空環境研究センター・教授） 　　塩川和夫（名古屋大学太陽地球環境研究所・教授） 　　川勝康弘（宇宙航空研究開発機構・准教授） 　　原弘久（国立天文台・准教授） 予算規模 総額３８０億円（地上観測＝１０年計画）　設備３５０億円、運営３０億円 　　①　赤道ＭＵレーダー 　　　 設備３０億円、運営２０億円 　　　　 地上広域観測網　 　 設備２０億円、運営１０億円 　　②　次期太陽観測衛星SOLAR-C 設備２５０－３００億円 　　　　　（高傾斜角軌道からの極領域観測はSOLAR-C後に実現を目指す） 年次計画 平成２３―２４年度　赤道MUレーダー・地上広域観測網　整備 平成３０年度　太陽観測衛星SOLAR-C　打上げ 11/11

  12. 広い高度範囲で上下に強く結合している赤道大気広い高度範囲で上下に強く結合している赤道大気 超高層(400km) スペースシャトルや国際宇宙ステーションが飛翔する領域 Wave-4 structure (地球をとりまく“４波”構造) 積雲(10km) 雨・雲・風 気象現象の領域 海陸分布を「感じた」大気波動が下層大気から超高層大気に伝わることで、地球大気全体が力学的に上下結合している。 海陸分布(0km) 4/12

  13. 研究拠点整備赤道大気総合観測所に赤道MUレーダーを新設研究拠点整備赤道大気総合観測所に赤道MUレーダーを新設 GAW大気質モニターステーション BLR, ソーダ－ 観測能を10倍に増強 大型レーダー予定地 赤道MUレーダー 流星レーダー EAR EAR管理棟 気象観測測器 大気光イメージャ 多機能ライダー X-バンド気象レーダー GPS受信機 衛星回線用アンテナ アイオノゾンデ Google Earthから見た 赤道大気レーダー(EAR)を含む観測所全景 7/12

  14. 積雲対流（上）と成層圏の大気擾乱（下）の衛星観測結果の比較積雲対流（上）と成層圏の大気擾乱（下）の衛星観測結果の比較 サブ課題１：　 赤道ファウンテン インドネシアでは地球上で最も積雲対流が活発で、それにともなって成層圏で強い大気擾乱が生じている。 3/12

  15. 赤道大気研究の重要性と研究推進戦略 • 広い高度範囲：　地表付近の境界層から対流圏、中層大気（成層圏・中間圏）さらに超高層大気に至る広い大気圏（～高度約 1,000 km）において、赤道域で共通してエネルギー・物質の噴流・循環過程（赤道ファウンテン現象）が起こっている。 • 力学・化学複合過程：　従来の研究の中心は力学・電磁力学現象であったが、今後、大気物質・微粒子の輸送・混合、ならびに大気組成・光化学過程を総合研究する。 • インドネシア赤道域：　地球上で最も大気擾乱現象が活発な、インド洋・インドネシア群島を中心に、赤道大気圏の動態（赤道ファウンテン）を研究する。 • 総合研究拠点構築：　過去20年にわたるインドネシアとの協力関係を基礎に、国際赤道大気研究センター（ICEAR）を構築する。2001年に西スマトラに開設した赤道大気観測所の機能を増強し、主要設備として国内（信楽）のMUレーダーと同等以上の機能を持つ大型大気レーダーを設置する。 • グローバル解析：　総合観測拠点に加え、広域地上観測ネットワーク、衛星観測データならびに数値モデルを活用して、赤道ファウンテンが全球の大気に与える影響を調べ、変動予測に役立てる。 3/12

  16. 低温の対流圏界面 大気の子午面循環 （なぜ熱帯域が重要か？） • 子午面循環により、熱帯対流圏界面を通して空気塊が成層圏に入る。 • 温度が極小となる対流圏界面で水蒸気量が絞られる。 • 対流圏界面温度は温暖化の影響により下がりつつあり、成層圏の水蒸気量の減少が予想されるが、インドネシアでの観測では逆に増加傾向だった。？ 成層圏 対流圏界面 対流圏 冬極 赤道 夏極 (WMO, 1998)

  17. 波及効果 • 熱帯域で頻発する気象災害予報や気候変化の予測に貢献。 • インドネシアの森林・泥炭火災によるCO2排出、越境汚染問題に貢献。 • 宇宙天気に貢献し、衛星システム等の安全運用の社会ニーズに応える。 • 温暖化影響が増幅して現れる超高層大気の変動特性を長期監視する。 • 関連研究分野への展開：　GCOEプログラム • 「生存基盤持続型の発展を目指す地域研究拠点」（京大・東南アジア研） • 熱帯林の資源活用と保全に関係した地域研究。 • 「極端気象と適応社会の生存科学」（京大・防災研） • 異常気象(気象・水災害)の被害低減、温暖化に対する社会適用策。 • 人材育成：　 • ICEAR に日本・アジア・欧米から若手研究者を雇用し、フィールド観測に参加させる。最新課題の研究を推進させるとともに、先端技術習得と研究立案・実行能力の獲得を促す。 • 赤道大気科学研究のリーダーシップを発揮して、アジア各国に国際レベルの研究者を育成し、高度人材ネットワークの構築に貢献する。

  18. インドネシアを中心とした赤道大気研究の経緯インドネシアを中心とした赤道大気研究の経緯 1985 1990 1995 2000 2005 2010 STEP EPIC/PSMOS CAWSES CAWSES-II 国際研究プログラム 国際研究集会開催 観測機器の整備 研究の流れ 大型研究課題 MSTレー ダーWS ISEA(バリ島) MAS DYSMER EPIC CPEA CAWSES 西ジャワMFレーダー（2004） 赤道大気レーダー（2001） スルポンBLR、流星レーダー（1992） ポンティアナMFレーダー（1995） コトタバン流星レーダー（2002） ウィンドプロファイラ観測網（2008） コトタバンBLR（1998） 赤道レーダー現地調査1986-1991 特定領域「赤道大気上下結合」 インドネシア各地での気球観測（1991～多数回） 多数の科研費・海外観測課題の他、地球観測システム構築プラン２件などを実施してきた アジア・アフリカ学術基盤形成事業 振興調整費「インドネシア宇宙天気」

  19. ★ICEAR Koto Tabang、信楽、Gadankiの総合観測拠点を連携し、国際共同研究を推進する。 Routine Balloon Launch Sites 京大・生存研 信楽ＭＵ観測所 MU (Middle and Upper atmos-phere) Radar (34.8N, 136.1E) インドの共同研究機関: NARL、地磁気研究所（IIG）、SPL, EEG 等 国内共同研究機関：　 京大・理、名大STE、名大・環境、北大・地球環境、北大・低温研、北大・理、東大・理、東大・大気海洋研（ＣＣＳＲ）、首都大、弘前大、島根大、九大・理、東北大・理、福岡大、大阪電通大、JAMSTEC、防衛大、情報通信研究機構（NICT） インド・国立大気科学研究所(NARL) Gadanki MSTRadar, (13.5N, 9.2E) 学術交流協定 インドネシアの共同研究機関 航空宇宙庁（LAPAN）、インドネシア科学院（ＬＩＰＩ）、科学技術応用評価庁（BPPT）、気象庁（BMKG）、地図測量庁（BAKOSURTANAL）、バンドン工大（ＩＴＢ）、ボゴール農大（IPB）、Andalas大, Tanjungpura大、Gadjah Madah大　 京大・生存研＋LAPAN 赤道大気観測所 EAR (Equatorial Atmosphere Radar), Koto Tabang (0.2S, 100.3E)

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