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昭和基地におけるレイリーライダー観測

第 15 回大気ライダー観測研究会　 2011 年 3 月 7 日＠秋葉原. 昭和基地におけるレイリーライダー観測. 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. 中村卓司先生と東京海洋大の村山先生. 第 VIII 期南極地域観測・重点研究観測　　南極域からさぐる地球温暖化 　　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 」　 (2010-2016). Operating. Radio sonde balloon

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  1. 第15回大気ライダー観測研究会　2011年3月7日＠秋葉原第15回大気ライダー観測研究会　2011年3月7日＠秋葉原 昭和基地におけるレイリーライダー観測 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 中村卓司先生と東京海洋大の村山先生

  2. 第VIII期南極地域観測・重点研究観測　　南極域からさぐる地球温暖化第VIII期南極地域観測・重点研究観測　　南極域からさぐる地球温暖化 　　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」　(2010-2016) Operating Radio sonde balloon Temperature/wind/pressure 0-30km Temperature 15-80km /Backscatter ratio (Clouds in ST/MEsphere) MF radar Mesospheric wind 70-90 km Rayleigh Lidar (+ Resonance2012-) 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

  3. 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 ３、130K程度の極低温で形成[Gadsden, 1981] 　⇒ 周辺大気の物理量を同時に観測したい ４、衛星でも観測(PMC)[Donahue, 1972] NLC at Pokarflat[Taylor et al.,2009]

  4. レイリーライダーブロック図 Transmitter Receiver 355nm Telescopes Raman High 387nm Continuum Powerlite DLS 8020 ICCD (with gate) PMT 82cm Laser 1 x5 I.F. Beamexpander 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 特徴：①ゲート付ＩＣＣＤカメラ、②レイリー用に3チャンネル、③エタロン、偏光板

  5. Technical data of the Syowa Rayleigh lidar

  6. 昭和基地レイリーライダーの設置運用状況 設置状況 天窓

  7. 昭和基地レイリーライダーの観測状況 2011年 2月 2011年 ３月 3月6日現在までに、15日の観測実績

  8. 昭和基地レイリーライダー：１分間の信号プロファイルの例昭和基地レイリーライダー：１分間の信号プロファイルの例 Ch.1 Ch.2 Ch.3 Ch.4 Ela35(AN) Ela35(PN) R-Low(AN) R-Low(PN) シグナルカウント生データの例 昭和基地3月5日00：35のデータ。 （レーザー大使用時） AN・・・アナログ（電流値）　[mV] PN・・・フォトンカウンティング Ch.5 Ch.6 R-Hi Raman-Hi DZ=7.5m(Ch1~4),15m(Ch5,6)

  9. 昭和基地レイリーライダー ファーストライト温度データ（Rayleigh-Hi） 高度分解能900m 高度 [km] 30分積算の温度プロファイル 大気温度 [K]

  10. 昭和基地レイリーライダーの観測例 PMC（極中間圏雲）：Polar Mesospheric Cloudの観測例 3時間分のデータ積算 夏季に発生する現象 2011年2月4日にはPMCの観測に成功（現在詳しく解析中）

  11. 昭和基地レイリーライダーの特徴 Transmitter Receiver 355nm Telescopes Raman High 387nm Continuum Powerlite DLS 8020 ICCD (with gate) PMT 82cm Laser 1 x5 I.F. Beamexpander 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 特徴：①ゲート付ＩＣＣＤカメラ、②レイリー用に3チャンネル、③エタロン、偏光板

  12. 昭和基地レイリーライダーの特徴① ゲート付ＩＣＣＤカメラによるビーム調整 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。

  13. 昭和基地レイリーライダーの特徴② ２台の望遠鏡＋５種類のチャンネルで広範囲の温度観測 90km PMC Rayleigh高感度 30km Rayleigh低感度 PSC 20km Raman高感度 25km Rayleigh 低高度 N2 Raman増設予定 0km ３５cm望遠鏡 82cm望遠鏡（３つのチャンネル）

  14. 昭和基地レイリーライダーの特徴③ 昼間観測用エタロンおよび偏光プリズムが導入可能 偏光板の有無による信号強度 背景光と信号（#850bin）のレベル 信号 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 偏光板なし 背景 偏光板あり 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。

  15. エタロン＋偏光プリズムによるSNR改善率予想 立川で昼間に観測されたデータを元に背景光強度と信号モデルを作成 高度積分ｍ 太陽高度角36度 １ エタロン・偏光Pなし １ 時間積分　秒 PMCの後方散乱係数＝6-8e-9 [1/m/str] [Gardner et al. 2001]よりPMCの信号は高度48kmからのレイリー信号と同レベルであると見積もられる。つまり、48kmのレイリー信号が受信できている状況であればPMCの検出も可能！ エタロン 信号透過率=0.5 (@355nm) 背景透過率＝0.5/Finnes 偏光P 透過率25％及び50％を仮定 １ エタロン＋偏光P 上記の偏光プリズム＋エタロンを使用した時、例えば 時間分解能を1200秒（=20分）まで許して、高度分解能100m以上で観測が可能！ 時間積分　秒

  16. 昭和基地レイリーライダーの特徴④ スケジュールファイルに従って自動観測 ・レーザーの暖機、発振、停止 ・PMTのON/OFF ・収録プログラムのON/OFF ・冷却用チラーのON/OFF がひとつのスケジュールファイルに従って自動で動作する。 →必ずしもライダーの専門家ではない南極観測隊員が、安定してライダーを運用するための重要な工夫。 レーザー制御 PC1 Internet 国内 PC２ PMT・受信系 スケジュールファイルの書き換え 制御

  17. スケジュールと自動観測ソフト 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

  18. まとめ １、２０１０年１２月～１月に第５２次南極地域観測隊によってレイリーライダーが南極昭和基地に運搬・設置された。 ２０１１年２月初頭より試験観測を開始し、良好なデータの取得に成功した（温度データ、PMC信号など）。　現在は、越冬隊によって太陽高度角が－5．2度以下になる条件で自動観測運用中。今後、毎月晴天時に１０日以上定常運転する予定である。 ２、本装置の特徴として、 ①ゲート付ＩＣＣＤカメラによるビーム調整機構、②２台の望遠鏡＋５種類のチャンネルで広範囲の温度観測が可能、③ 昼間観測用エタロンおよび偏光プリズムが導入可能、④スケジュールファイルに従って自動観測が可能、などが挙げられる。 今後の計画 エタロンおよび偏光プリズムの導入による昼間観測で夏季極域（＝夜のない 季節）に特有な極中間圏雲(PMC)の観測強化。（本年度は出発直前にエタロンに 不具合が見つかり設置を断念）。 首都大学東京を中心に現在開発中の波長可変アレクサンドライト・レーザーを 追加設置することで、多波長共鳴散乱ライダーとしても機能するようにし、 高度８０ｋｍ以上の温度観測、金属・イオン組成観測を可能にする。 　→２０１２年に観測が本格化するＰＡＮＳＹ（南極昭和基地大型大気)レーダー との協同観測で極域超高層大気の力学・化学過程を解明するための重要な データを得る。

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