昭和基地におけるレイリーライダー観測 - 開発状況と試験観測 -

1. 第２８回レーザーセンシングシンポジウム＠琵琶湖　・　２０１０年９月９～１０日　第２８回レーザーセンシングシンポジウム＠琵琶湖　・　２０１０年９月９～１０日　 昭和基地におけるレイリーライダー観測 -開発状況と試験観測- 鈴木秀彦、中村卓司（国立極地研究所） 阿保真（首都大学東京） 江尻省、冨川喜弘、堤雅基（国立極地研究所） 川原琢也（信州大） 南極地域観測第VII期重点研究観測ライダー班

2. Introduction VIII期重点研究観測(国立極地研究所のプロジェクト) Sub theme Ｉ：南極域中層・超高層大気を通して探る地球環境変動　 ・Effects of solar (including aurora) activity on the climate ・Effects of atmospheric waves on the climate ・Monitoring of climate changes that unique polar clouds indicates ・Improvement of climate prediction model Syowa Station (69.0S, 39.5E) 日本が運営する科学観測基地 （大気、海洋、地学、生物観測）

3. Temperature 15-80km /Backscatter ratio (Upper clouds detection) Instruments for middle and upper atmosphere in Syowa Station Operating Radio sonde balloon Temperature/wind/pressure 0-30km MF radar Mesospheric wind 70-90 km Rayleigh-Raman Lidar OH spectrometer Mesopause temperature 85km PANSY radar Wind (15-20,60-100) /plasma parameters (1-500km) All-sky imagers Aurora intensity/airglow intensity / horizontal structures of atmosphere 85,90,110,200km Millimeter-wave spectrometer Minor constituent 15-80km Start from 2012

4. Effect of auroral precipitation to the upper atmosphere ←OH fluctuations on 27/28 of March, 2008 Visible aurora activities on the day Cosmic NoiseMagnetic fieldRot. tempOH int（Q） OH int Suzuki et al., Ann. Geo., 2010

5. About NLC (PMC) and PMSE NLC: Noctilucent Cloud 夜光雲 1885年頃から報告、高度85km付近で発生する雲 [目視観測　by Backhouse,1885]。 高い位置にあるので薄明時でも太陽光で輝いて見える。1970代に見つかったVHFエコー(PMSE:極域夏季中間圏エコー)と密接に関連。[Rapp and Luebken,2001] ■NLC,PMCの特徴 １、高度83ｋｍに存在　[Jesse, 1896] ２、夏季の極域（緯度帯50-65度）で見える。 　⇒ 昼間～薄明時の観測が必要 ３、130K程度の極低温で形成[Gadsden, 1981] 　⇒ 周辺大気の温度を同時に観測したい ４、衛星でも観測(PMC)[Donahue, 1972] ５、近年報告増加している。 　⇒高層大気の寒冷化？ NLC at Pokarflat[Taylor et al.,2009]

6. Receiver Transmitter Telescopes 355nm Raman High 387nm Continuum Powerlite DLS 8020 ICCD (with gate) PMT 82cm Laser 1 x5 I.F. Beam expander I.F. L1 D.M Laser 2 35cm Mirror x5 Iris Spectral Physics Quanta-Ray Indi-40 I.F. D.M. B.S.1 Etalon D.M. I.F. Raman Low 387nm I.F. Rayleigh High 355nm (gate) D.M. : T355 / R387 B. S.1 : T90%/R10% B. S.2 : T10%/R90% Rayleigh Low 355nm Rayleigh Low 355nm Block diagram of the Syowa Rayleigh lidar 特徴：１、レイリー用に2チャンネル/ ２、エタロン、偏光板/ ３、ゲート付ＩＣＣＤカメラ

7. Technical data of the Syowa Rayleigh lidar

8. Results of a test observation Night time temperature derived from Rayleigh(Hi) ch. data at Tachikawa on 30, April, 2010. Error@60km=3K Altitude (km) Time Error@30km=0.2K 15 min averaged Temperature (K) 04:09 00:09

9. Polarizer experiment 受信系に偏光板を挿入し、昼間における背景光除去の効果を確認 Signal from laser Sun light Laser polarility 高度角： 35度 方位：西 Ｎ 35度 Ｗ Ｅ 偏光角0～180度 紫外用偏光フィルターを使用 Transmittance：18％＠355nm Ｓ Telescope 実験日時における太陽の方位および受信系のアレンジ （2010.08.27 15：20 Tachikawa）

10. Polarizer experiment 偏光板の有無による信号強度 背景光と信号（#850bin）のレベル Signal レイリー信号とバックグラウンドレベルを偏光角ごとに比較 no polarizer B.G with polarizer 信号(#850BIN)/　背景 [1 BIN=7.5m from Ground] 実験時間帯は西から太陽光があたっているため、レーザーの信号とバックグラウンドの信号が最大になる偏光角が一致していたが、それでも（信号/背景）比で最大で４～５倍程度の改善が見られた。

11. ビームを合わせる位置 F.O.V Alligment with Gated ICCD ゲート付ＩＣＣＤカメラで、特定高度からの散乱光をイメージで捉える イメージ上でビーム位置を調整できるので、光軸合わせが直感的 さらに、ゲート付で背景光量を抑えられるので、昼間にも軸合わせが可能 ⇒昭和基地において夏期間は一日中明るいので、有用な手段である。

12. Other Specification Schedjuled operation laser 昭和基地の観測運用態勢 ・越冬隊員は１年に１度メンバーチェンジ ・担当観測隊員は基本的に２～3名 ・ライダーだけでなくほかの機器も運用 ・隊員はライダーの専門家とは限らない。 ON ON ON OFF この条件下で安定した運用を実施するには １、メンテナンスが楽であること ⇒光学部品はケージシステムに固定（可動部を少なく） ２、調整が容易であること ⇒ＩＣＣＤカメラで望遠鏡の軸合わせがしやすい ３、操作が最低限であること ⇒レーザー出力、停止および収録部は自動スケジュール運用 インターネット回線で国内からスケジュールを管理可能

13. Automatic observation system レーザー、ＨＶ（ＰＭＴ）、データ収録ソフトがスケジュールにしたがって作動 観測開始！ ＰＭＴ ON 観測開始！ スケジュールファイル Ｌｉｃｅｌ　Ｓｔａｒｔ スケジュールファイルは国内から書き換え可能⇒遠隔運用⇒隊員負担減

14. Summary 昭和基地観測用レイリー・ラマンライダーシステムを開発 ・国立極地研究所（東京）における試験観測にて30ｋｍ～７０ｋｍまでの温度導出 ・薄明、昼間観測を目指しエタロン、偏光素子による背景光抑制 ・ＩＣＣＤカメラによる昼間の視野合わせに成功 ・自動スケジュール観測、遠隔操作による安定運用 2012年から観測が始まるＰＳＮＳＹレーダーとともに、夜光雲や極中間圏雲などに代表される極域中間圏特有の現象と環境長期変動メカニズムに光を当てる。 Future Plan 現在、本ライダーの受信系を拡張し、レーザーを変更することで多波長共鳴散乱ライダーとしても機能するよう、首都大学東京を中心にアレクサンドライトレーザーの開発を行っている[三浦ほか、本シンポジウム]。　これが実現すれば高度80ｋｍ～120ｋｍの温度観測が可能となり、オーロラ活動による極域高層大気への影響を解明する重要なデータが得られる[鈴木ほか、本シンポジウム]。

15. ライダーの構成、観測対象 N2+イオン N2+イオン 微量成分観測 Ca+イオン 流星 熱圏 高度 ８０－ １２０ｋｍ 共鳴散乱 Fe原子 K 原子 高度８０ｋｍまで 中間圏界面 温度観測 • Ⅶ期で作ったレイリーライダーによる成層圏・中間圏温度プロファイル観測 • 共鳴散乱ライダー（Fe原子,K原子, Ca+イオン）による層構造をトレーサーとした力学・物質フロー観測と温度観測。 • Ca＋イオン、N2+イオン観測によるオーロラ、電離大気、中層大気結合観測。 • 昼間観測用フィルターの導入による南北（夏冬）半球同時比較観測 PMC 中間圏 レイリー、ミー散乱 PSC 成層圏 レイリーライダー 共鳴散乱ライダー

16. Principle of Rayleigh lidar observation Counts パルス信号 各高度の大気からのレイリー散乱光 Time from pulse emission = Altitude Counts ∝ Atmospheric density レーザー 望遠鏡 ミラー Assume temperature at certain altitude Temperature 15~80km 受信系　　　　　　送信系

17. Error Estimation Nighttime Daytime 17

18. エタロン、偏光板による背景光の抑制 偏光板（背景光の偏光状態を利用） エタロン（狭帯域化） ３５５nm ３５５nm 背景レベル エタロンの帯域 干渉フィルターの帯域 干渉フィルターの帯域 受信光の波長幅 受信光の波長幅 長所・調整が楽（挿入すればＯＫ） 短所・太陽の位置によって効果が変わる 長所・常に一定の背景光を落とせる 短所・調整が困難（角度依存が大）

19. 各高度からのレーザー光の後方散乱信号強度 エタロンの効果の見積もり 太陽高度各が-20degから+45degにかけての、太陽光レイリー散乱光強度（単散乱のみ）と、各高度からのレーザー光後方散乱光の強度を計算。 (1 shot) 日陰高度 I.F. (0.5 nm) Etalon (60pm) 温度観測が可能 ⇒ 後方散乱比（雲）観測が可能 ⇒ x10

20. 目的 　　　　　　　大気大循環に重要な役割を果たす南極中層・超高層大気は、地球温暖化に伴って寒冷化するなど特有な変動を示すと考えられているがその実態は明らかとはいえない。20世紀にその存在が確認された極域夏季中間圏の夜光雲（NLC）(極中間圏雲(PMC))は、温暖化に伴う寒冷化の証しと言われているが、さらに21世紀にはいって中緯度にも拡大してきていると報告されている。しかし、現実の温度変動は、大気大循環を駆動する大気重力波やプラネタリ波など大気波動の活動度にも依存している。ところが南極域では中層・超高層大気の観測研究が遅れており、温度や大気の運動の精密な観測が急務となっている。本研究では、温暖化に対して異なる変動を示す対流圏から中層・超高層大気にいたる鉛直断面をプロファイリングするレーダーやライダーなどの観測手法を用いて様々な変動のシグナルを捉えることで、南極域中層・超高層大気のレスポンスを精査し、その長期変動の解明を目指す。 夜光雲　(高度82-83 km付近に発生）近年発生頻度が増大しているといわれている。 ２１世紀にはいって緯度４０度付近の中緯度でも夜光雲が観測されている。 撮影：石井守氏（NiCT) ユタ州立大（緯度４０度）での観測例 （Taylor et al., 2002) 極域中間圏の雲(氷）が薄明時に太陽光で散乱。１４０Ｋ以下の温度が必要（だから夏季の高緯度に限定）。

21. PANSY VIII期重点研究観測 サブテーマＩ： 南極域中層・超高層大気を通して探る地球環境変動　 PI: 佐藤薫 地表から超高層大気までの大気の運動を高精度に観測。 相補的 相補的 成層圏から熱圏下部の温度、微量成分を観測 種々の大気パラメータを長期にわたり観測 PI: 中村卓司 PI: 堤雅基 最初にここに第VII期までのMF,OH、などの観測の図を出す 相補的 MF radar, Super DARN, All-sky imager, OH photometer, milimeter wave radiometer, lidar

22. Toward a New Era of Antarctic Atmospheric Research Toward a New Era of Antarctic Atmospheric Research Program of the Antarctic Syowa MST/IS Radar（PANSY)MST: Mesosphere, Stratosphere and TroposphereIS: Incoherent Scatter Sato et al., 8-2 PI: Kaoru Sato MST/IS mono-static pulse Doppler radar with 1045 crossed Yagi antennas is to be constructed at Syowa Station, Antarctica. Program funded by “Supplementary Budget 2009” . PANSY will facilitate a new break through for the wide range of atmospheric research in the Antarctica. MST/IS mono-static pulse Doppler radar with 1045 crossed Yagi antennas is to be constructed at Syowa Station, Antarctica. Program funded by “Supplementary Budget 2009” . PANSY will facilitate a new break through for the wide range of atmospheric research in the Antarctica. ・Effects of solar activity on the climate ・Effects of atmospheric waves on the climate ・Future prediction of ozone hole ・Effects of katabatic winds on the circulation ・Monitoring of climate changes that unique polar clouds indicates ・Improvement of climate prediction model

23. 高機能ライダー　年次計画（修正案） 送信系プロトタイプ開発 昼間受信系製作 送信系製作 装置改良、メンテ 並列送信系製作 受信系製作 開発 ２点観測 昼間観測 試験観測 一部縮小の可能性あり 移動観測システム 送信系開発 昼間観測 国内試験 レイリー温度観測、PMC観測 共鳴散乱プロファイル観測 共鳴散乱温度観測 レーザーの設置 多原子、多イオン同時観測 現地観測 PANSY協同観測、国際協同観測 越冬 越冬 越冬