JEM搭載超伝導サブミリ波リム 放射サウンダ(SMILES)による観測 (初期

JEM搭載超伝導サブミリ波リム 放射サウンダ(SMILES)による観測
(初期成果)
塩谷雅人(京大), SMILESミッションチーム 発表者： 佐野 琢己 (JAXA 宇宙科学研究本部 ISS 科学プロジェクト室)
Who am I ? (SMILESサイエンス推進体制)
JAXA 宇宙科学研究本部 ISS 科学プロジェクト室が中核となって、SMILES
のサイエンスを推進している
有人宇宙環境
プログラムマネジャ 利用プログラム
ISS 科学
宇宙環境利用科学
プロジェクト室長 プロジェクト
SMILES サイエンスチーム
SMILES
プロジェクトマネジャ
プログラム
管理
代表研究者(塩谷)
ミッションリーダ(高柳)
科
ISS/JEM との
サイエンス 学
本
インテグレーション
チーム 部
バス系開発
・システム
インテグレーション
運用
サブミリ波
応用技術研究
チーム(菊池)
大気科学研究
チーム(小池)
検証実験
チーム(塩谷)
データ処理部
開発・運用
チーム(高柳)
アルゴリズム
研究チーム(笠井)
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SMILES ミッションの目的
(SMILES: Superconduc=ng Submillimeter‐Wave Limb‐Emission Sounder) •  4K機械式冷凍機と超伝導技術を用いたサブミリ波帯リム
放射サウンダの世界で初めての軌道上技術実証
4K級機械式冷凍機： 超伝導ミクサ： 高い冷却能力を持ちなが
ら，重さ90kg，消費電力
270Wと，小型・低消費電
力を実現 理論的な限界に迫
る低雑音を実現
(野辺山宇宙電波
観測所で製作)
•  成層圏大気微量気体成分のグローバルな時空間分布に
関する観測実験
[標準プロダクト] –  1スキャン： O3, HCl, ClO, CH3CN, O3 isotopes, HOCl, HNO3 –  複数スキャン（積算）：HO2, BrO [研究プロダクト] volcanic SO2, H2O2, UTH, Cirrus Clouds 3
JEM/SMILES の打ち上げから設置
• Antenna: 40 cm x 20 cm • Weight: < 500 kg • Mission Life: 1 year SMILES
9月11日 SMILESはH‐IIB を使ったH‐II Transfer Vehicle (HTV)で打ち上げられた 9月18日 HTVはISSとドッキング 9月25日 SMILESはJEMに設置された
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JEM搭載超伝導サブミリ波リム 放射サウンダ(SMILES)による観測
(初期成果)
塩谷雅人(京大), 高柳昌弘(JAXA), 村山泰啓(NICT), 小池真(東大),菊池健一(JAXA), 笠井康子(NICT), 長浜智生(名大), 佐野琢己(JAXA), SMILESミッションチーム
JEM曝露部搭載の第1期ミッション
Superconducting Sub millimeter-wave LimbEmission Sounder (SMILES)
Engineering Model
MAXI
SMILES
SEDA-AP
Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI)
Thermal & Structure Model
Space Environment Data Acquisition (SEDA)
Flight Model
Solar flare induced neutron detected by BBND in US Lab”Destiny”
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SMILES観測の概要
•  超伝導センサを用いた624- 650 GHz
帯における超高感度測定
•  大気のリム観測に基づく鉛直プロファ
イルの測定(高度分解能約3km)
•  国際宇宙ステーションでの実証・地球
大気のグローバル観測(65N- 38S)
⇒ オゾン化学に
とって重要な役
割を果たすラジ
カル分子種を
ターゲットとした
観測をおこなう
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成層圏オゾン問題の科学的背景
•  オゾンホールの問題は，大掴みなところで解
決したという理解
•  特定フロンの排出が規制されたものの，オゾ
ンホールの回復の兆しは明瞭でない
•  将来予測に向けた素過程の精緻化が要求さ
れるようになってきている
•  オゾンホールなど個別の事象の理解だけでな
く，地球大気質変動を広く捉えることの必要性
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オゾン層の現状と将来予測
中・低緯度(北緯60度から南緯60度まで)のオ
ゾン全量の変化(WMO，2006)
オゾン層回復の将来予測モデル計算による
と，1980年代のオゾン量に戻るのは2060年か
ら2070年ごろと推定されているが，それらの予
測には大きなばらつきがみられ，塩素系や臭素
系の反応の不確定性がそのおもな要因と考え
られている．
南半球極域で観測されたオゾン全量
の最小値(黒丸)とモデル計算の結果
(色つきの印)(WMO，2006)
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成層圏における塩素と臭素
塩素
臭素
X + O3 -> XO + O2
XO + O -> X + O2
(X=H, OH, Cl, Br, NO)
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SMILESの狙う科学目標
1. 無機塩素の化学
• ClO と HCl の比率
• HOCl の生成 • 全球の ClO 分布
2. 臭素収支 3. HOx 収支
4. 巻雲の観測
5. オゾン同位体
(6. 対流圏-成層圏交換
(上部成層圏のオゾントレンド)
(下部成層圏のオゾントレンド)
(ClOの背景値)
(寿命の短いソースガス)
(HOxジレンマ)
(異相反応と放射収支)
(質量に依存しない化学)
(オゾンフラックス))
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臭素収支の不確定性
Bry from CH3Br & Halons
+ 8 pptv Bry Source
BrOの観測から，成層圏の臭素量を説明するには，寿命の長いソースガス
(CH3BrとHalon)だけでなく，寿命の短いソースガスの寄与(5 pptv)が必要
(Salawitch et al., 2005)．
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全球のClO分布
?
中緯度におけるオゾン破壊を
定量化するためにはClOの背
景値が重要である．ところが，
その高精度全球分布は観測さ
れていない．
Cl + CH4 → HCl + CH3
ClO + OH → HCl + O2
ClO + OH → Cl + HO2
6%
94%
ClO + HO2 → HCl + O3
1-5%
ClO + HO2 → HOCl + O2 95-99%
SMILESの高感度観測によってこ
れまでにない精度でClOの背景
値を観測することができる．さら
に，ClO, HCl, HOCl, HO2 の同
時観測によって成層圏の塩素化
学に重要な寄与ができる．
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上部成層圏における塩素の存在様態
observations (SAGE, SBUV, Umkehr)
model without (2)
model with (2)
1979-1990
Cl + HO2 → HCl + O2
6%
ClO + OH → HCl + O2
(1)
(2)
気球観測から得られている
[ClO]/[HCl]の比の値は，
(2)の反応を取り込むことで，
上部成層圏のオゾントレン
ドをよりよく説明しうる．
SMILESのClOとHClの同
時高感度観測によって，そ
(WMO, 1998)
の比に対する定量的な論議に
決着をつけることが可能．14
モデル計算による成層圏BrO分布
例) 10hPa，10月1日12Z におけるBrOのスナップショット
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観測対象分子の精度検証
80
70
高 度 [km]
60
50
40
2%
30
5%
30%
20
10
50%
80%
O3
HCl
ClO CH3CN HNO3 HOCl HO2
BrO
18OOO 17OOO
Retrieval error : 40N, March : daytime (single-scan)
O17OO Temp
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SMILES による試験観測
•  9月26日：主電源の投入 – その後ハードウエ
アのチェック •  9月28日：冷却機が4Kに到達 •  10月10日：マニュアルによる初の大気観測
(数プロファイルのみ有効) •  10月12日より試験運用ながら連続的な観測
を開始(10月17日あたりまで) •  10月19日 ファーストライト発表 •  11月6日 定常運用移行
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冷凍機の動作 将来の4K級冷凍機利用に向けて軌道上実証に成功した
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JEM/SMILES データフロー＆
Level 2データ処理システム
JAXA/TKSC
L1B Data Server
UOA
EOS
SMILES
Raw data
L1B
DPS-L0/L1
Off-line
JAXA/ISAS
L2 Data Server
Users
Internet
• 
DPS-L2
Internet
L2
Inversion
Control
DPS-L2
Data transfer
L1B
• 
Forward Model
Iteration
L2 Data Processing
Data Handling
&
Visualization
L2
RAWデータはつくば宇
宙センタにあるDPSL0/L1で受信，輝度温
度スペクトルデータ
(level 1B データ)に変
換される．
DPS-L2 では，level 1B
データをネットワーク越
しに自動的に取得し，
各観測点における観測
分子の高度プロファイ
(Level 2データ)を算出
する．Level 2 データは
DPS-L2のもつデータ配
布機能によりユーザに
公開される．
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UOA: User Operation Area, EOS: Experiment Operations System, DPS: Data Processing System
バンド A のスペクトル
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バンド B のスペクトル
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バンド C のスペクトル
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データ処理の流れ
SMILESによるリム放射観測
O3
HCl
Level 1 data:
スペクトルデータ
HOCl
BrO
Level 2 data:
鉛直プロファイルデータ
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Band A ‐ day=me
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Band A ‐ nighame
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Band C ‐ day=me
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Band C ‐ nighame
27
O3 のリトリーバル結果
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HCl のリトリーバル結果
29
28kmにおけるオゾン分布
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O3の緯度高度断面
31
MLS O3との比較
32
ClOの緯度高度断面
33
MLS ClOとの比較
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HClの緯度高度断面図
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BrOの高度緯度断面図
36
他衛星データとの比較 H37Cl SciSAT‐1/ACE FTS赤外域太陽掩蔽法とのcoincidence
37
同 O3 38
SMILESデータ処理の状況
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JEM/SMILES Science Promotion
H/W Development
Receiver
Development
SMILES Science Team
Algorithm Research
Data Handling Facilities
Validation
Participation of Outside Researchers
(Project Collaboration Researchers)
RA Release
Research
Community
Atmospheric
Science
Research
JAXA←→Research
Community
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ま と め
•  JEM/SMILES は ISS に取り付けられ，4K 冷却に到達し，順調
にセンサの動作を開始． •  予想よりも精密なスペクトルが取得され，これまでにない高
精度で，微量成分の高度分布を導出． •  算出が困難と思われた微量成分 (BrO など) のデータも取得，
(従来は，これらの成分の発する微弱な電磁波に対して測定装置のノイ
ズが大きすぎたため，検出が難しかった) •  今後 1 年程度で以下の研究に取り組み，地球環境問題の解
決に役立てる．
–  オゾン層問題の鍵となる，成層圏オゾンに関連した化学過程に関す
る精密なデータを提供し，成層圏オゾン回復予測の高精度化に貢献．
–  成層圏オゾン化学が対流圏に及ぼす影響について，観測データの解
析を進めることで、地球温暖化予測の精密化に貢献．
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SciSAT‐1/ACE Pegasus XL ½ 打ち上げ級小型衛星, 太陽掩蔽法FTS
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