成 膜 大 学 理 工 学 研 究 報 告 J,Fac.Sci,Tech,Se止eiUniv Vol.48No.2(2011)pp.89-94 (新 任 者 の 論 文)
数 値 シ ミ ュ レー シ ョ ン に よ る 地 球 ・宇 宙 環 境 変 動 予 測
藤 原 均*1,三 好 勉 信*2,陣 英 克*3,品 川 裕 之*3Predictions
of the Earth's
and Space Environments
by numerical
simulations
Hitoshi
FUJIWARA
*1, Yasunobu
MIYOSHI
* 2, Jin HIDEKATSU
* 3, Hiroyuki
SHINAGAWA
*3
ABSTRACT
: In order to understand complete pictures of the energy, momentum, and molecular transfer
in the atmospheric regions, dynamical features of the whole atmosphere, and near space environment, we
have developed a new general circulation model (GCM) which covers all the atmospheric regions.
Nu-merical simulations with this GCM have shown new aspects of the upper atmosphere: e.g., wavy
struc-tures and day-to-day variations of the thermosphere, generation and propagation of disturbances in the
po-lar thermosphere due to the auroral activity. We report on some simulation results, possibility of space
weather prediction, and some ongoing projects for studying the Earth's and space environments.
Keywords : thermosphere, auroral activity, space weather
(Received September 21, 2011)
1.は じ め に地 球(惑 星)大 気 は,重 力 の影 響 下 で 成 層 構 造 をな す
こ とに よ り,高 度 ご とに 特 徴 的 な 温度,密
度,組 成 の 分
布 を持 つ。 特 に 温 度(気 温)の 高 度 分 布 に着 目して,大
気 領 域 は 下 層(地 面 に 近 い と こ ろ)か ら 「
対 流 圏 一 「
成 層
圏 」 「
中 間圏 一 「
熱 圏 」 とい っ た領 域 に 区 分 され て い る。
対 流 圏 か ら中 間 圏 あ た り(高 度0∼80㎞)ま
で は主 に気
象 学 の 対 象 と して研 究 が 進 め られ て きた 一 方 で,中 間 圏
か ら熱 圏 ま で の 領 域(お
よそ60-500-800㎞)は
超 高 層
物 理 学 の 対 象 と して 別 々 に研 究 が 進 め られ て きた 。 超 高
層 大 気 とい う呼 び 名 は,時 代 や 人 に よっ て 違 った ニ ュア
ンス を持 っ よ うで あ るが,概 ね,中 間 圏 の 一 部(60-80㎞
く らい)か
ら熱 圏 の 上 端(500-800㎞
く らい)か 更 に そ
の 上 空 を 指 す 。 気 温 分布 で は な く,他 の パ ラ メー タに 着
目 した 領 域 の 区 分 も存在 し,例 えば,大 気 分 子 の 電 離 に
よっ て 生 じ る電 子密 度 の 高 度 分布 に 着 目 して 「
電 離 圏 一
と呼 ば れ る領 域 が 定 義 され て い る(空 間 的 に は,中 間 圏 ・
熱 圏 と電 離 圏 とは オ ー バ ー ラ ップ して い る)。超 高 層 物 理
*1:理 工 学 部 共 通 基 礎 教 授(h [email protected]) *2・ 九 州 大 学 大 学 院 理 学 研 究 院 *3:情 報 通 信 研 究 機 構学 は,電 離 圏 ま で を含 め た超 高層 大気 の領 域 を研 究 す る
地 球物 理 学 の1分 野 で あ り,こ の領 域 を多 く の飛 翔 体(人
工衛 星 や ロケ ッ ト)が 飛 翔 し,ま た電 波通 信 の 際 の 電波
伝 搬 経 路 で もあ る こ とか ら,航 空 宇 宙,通 信 分 野 と も密
接 に 関 わ る研 究 分 野 で あ る。
近年,対
流 圏 の現 象 に 起源 を持 つ と考 え られ る変 動 が
高 度300-400㎞
付 近 で 多 く観 測 され る よ うに な った1)・2)。
ま た,巨 大 地震 の 際 に 地 表 面 で発 生す る音 波 が 上方 に伝
搬 す る こ とに よっ て 上層 の電 子密 度 に 揺 らぎ が 生 じ る こ
と も明 らか に な っ た3)・4)。
対 流 圏 で の 二 酸 化 炭 素 の 増 大
に よっ て,熱 圏 で は 温暖 化 で は な く大 気 の 寒冷 化 が進 ん
で い る との 指 摘 も あ る5)・6)。
これ らの 例 か らわ か る よ う
に,大 気領 域 間 で は様 々 な エ ネル ギ ー ・運 動 量 ・物 質輸
送 に 関 す る 結合 過 程 が存 在 し,下 層 大 気 の影 響 が 上 層 に
ま で及 ん で い る。 従 来 の よ うに,大 気 領 域 ご とに別 々 に
研 究 を進 め るだ け で な く,大 気全 体 を1つ の シ ス テ ム と
捉 えて,そ の 変 動 の全 体 像 を理 解 す る こ とが 必 要 で あ る。
この20年 ほ どの 間 に米 国 を 中心 と して 「
宇 宙 天 気 」研
究 が盛 ん に 実施 され る よ うに な っ た。 人 工衛 星 の安 全 な
運 用 の た め に,機 器 の破 損 に つ な が る 高 エ ネル ギ ー粒 子
の 到 来 予測 や,衛 星 に働 く大 気摩 擦 の推 定(す な わ ち衛
星 寿命 ・衛 星 の 姿勢 変化 の推 定)が 重 要 な研 究課 題 とな
っ て い る。 さ らに,航 空 機 や 船舶 のGPS測 位 の 障 害 とな
る電 離 圏 変 動 の 予 測 も宇 宙 天 気研 究 に と って 必 要 不 可 欠
の もの で あ る。 我 が 国 で も宇 宙 環 境 予 測 の 需 要 は 徐 々 に
拡 大 して お り,情 報 通信 研 究機 構 に よっ て 宇 宙 天 気 サ ー
ビス が 提 供 され て い る。
本稿 で は,上 記 の 大 気 領 域 間 結 合 や 宇 宙 環 境 変 動 の 理
解 の た め に 我 々 の研 究 グル ー プ で 取 り組 ん で い る数 値 モ
デ ル 開 発 ・シ ミ ュ レー シ ョン研 究 に つ い て 概 要 を 報 告 す
る。ま た,我 が 国 で 推 進 して い る(我 々 が 参 画 して い る)
い くつ か の 研 究 プ ロ ジ ェ ク トに つ い て 紹 介 す る。
っ た 。 図2も 図1と 同 様 で あ る が,高 度 約300㎞(ス ペ ー ス シ ャ トル の 飛 翔 高 度 く ら い)の 等 圧 面 上 で の 値 で あ る 。 地 磁 気 活 動(オ ー ロ ラ活 動)静 穏 時,太 陽 活 動 極 小 期 に お け る 分 布 を 表 し て い る 。 高 度300㎞ で は,昼 か ら 夜 に 向 か う高 速 風 が 顕 著 に 見 られ て お り,そ の 最 大 風 速 は358m/sと な っ て い る 。 ま た,下 層 大 気 に 比 べ て 昼 夜 の 温 度 差 が 極 め て 大 き く,250K以 上 に も な っ て い る こ と が わ か る。 ( ( 0 り 62.全
大 気 領 域 を含 む 大 気 大 循 環 モ デ ル
これ ま で に,主 に 中 層 大 気 力 学 の研 究 を実 施 す るた め
に 九 州 大 学 で 開 発 さ れ て き た 大 気 大 循 環 モ デ ル
(atmosphericgeneralcirculationmodel:GCM)の
上 端 高 度 を
熱 圏 上 端 に ま で 拡 張 し,世 界 初 とな る地 表 面 か ら大 気 上
端 ま で を含 ん だGCMの
開発 に成 功 したD。 通 常,大 気 モ
デ ル で は,地 球 回 転 系 に お け る流 体 の 方 程 式 を数 値 的 に
時 間 発 展 させ て解 く。 また,加 熱(太 陽 放 射 等)・ 冷 却 過
程(赤 外 放 射 等)を モ デ ル 化 して 大 気 の エ ネ ル ギ ー 収 支 の
方 程 式 を 同 時 に 解 く。 本 モ デ ル と気 象 学 分 野 で の 大 気 モ
デ ル との 主 な 違 い は,本 モ デ ル で は熱 圏 領 域 の 大 気 に つ
い て 物 理 ・化 学 過 程 を含 ん で い る点 で あ る。 熱 圏 で は 大
気 が 希 薄 に な る た め に 分 子 過 程(分 子 拡 散)が 卓 越 す る ほ
か,短 波 長 の 太 陽 紫 外 線 の 吸 収 や,オ ー ロ ラ活 動 に起 因
す る大 気 加 熱(ジ ュー ル 加 熱 や 降 下粒 子 加 熱),重 力 分 離
に よ る大 気 組 成 の 変 化 な どが この 領 域 で の 特 徴 的 な 物 理
過 程 で あ る。
こ のGCMは
下 層 か ら上 層 大 気 に い た る 大 気 変 動 を 記
述 可 能 で あ り,先 に 述 べ た 対 流 圏 起源 の 電 離 圏 変 動 に か
か わ る中性 大 気 擾 乱 に つ い て,数 値 シ ミ ュ レー シ ョン に
よっ て 新 た な 描 像 が 明 らか に な りつ つ あ る8)『9)『lo)。GCM
を用 い た 最 近 の 数 値 シ ミ ュ レー シ ョンに よれ ば,極 域 へ
の エ ネ ル ギ ー 流 入 量 を 同 様 に した 場 合,極 冠 域 で の 熱 圏
温 度 日変化 は,太 陽 活 動 極 小 期 で は 夏 季 に比 べ 冬 季 に 顕
著 とな る こ とが 予 測 され て い る。 ま た,オ ー ロ ラ現 象 に
起 因 した エ ネ ル ギ ー 流 入 に加 え て,下 層 大 気 に起 源 を 持
っ と考 え られ る大 気 擾 乱 が極 冠 域 で の 温 度 変 化 を よ り複
雑 な もの と して い る可 能 性 が 示 され たll)。
本 モ デ ル(GCM)に
よ る計 算 結 果 の例 を 図1,2に
示 す 。
これ らは,温 度 ・風 速 の全 球 分 布 で,ll月5日Ol:00世
界 時(UniversalT㎞e:UT)に
お け る結 果 で あ る。図1は,
高 度 約12㎞(対
流 圏 界 面 付 近,お
よそ 航 空機 の 飛 行 高
度)の 等圧 面 上 で の 値 で あ る。 日本 上 空 で 強 い 中緯 度 ジ
ェ ッ トが 見 られ て い る。 こ こで の 最 大 風 速 は84m/sで
あ
割
剰
'
一 . 9 . ハ ' 錨 ⋮二
然
∵無
⋮ 7 一 ほ ほ ほほ ほ む霧
嘆
薩
.
( 0 ( 0 ロ 3 一 筍 。 ε 名 ヨ コ 儲 [難
一6( -9( 03D6D 9〔)ユ20150 且ongitude(deg> Temperah】re(K} ユ80210240270300330360 19719920」202RO42062062102⊥ 」213210 図1大 気 大 循 環 モ デ ル に よ っ て 計 算 され た 温 度 ・風 速 の 全 球 分 布 。11月5日01:00UT,高 度 約12km(対 流 圏 界 面 付 近,お よ そ 航 空 機 の 飛 行 高 度)の 等 圧 面 上 で の 値 。 最 大 風 速 は84m/s。 3 ( 評 ε 3 一 山 ℃ コ 咽 コ 目踵 ︻ 禰 b O り 一 一 longitude(deg} Temperature(K》 55962266566fi72176476麟 臼1965265b9⊥&図2図1と
同様 。 た だ し,高 度 約300km(お
よ そ ス ペ
ー ス シ ャ トル の 飛 翔高 度)の 等 圧 面 上 での 値 。地磁
気静 穏 時,太 陽 活 動極 小期 の分 布 を 表 して い る 。
最 大 風速 は358m/s。
3.大
気 圏 ・電 離 圏 モ デ ル
これ ま で 述べ て き た 地 表 か ら大 気 上 端 ま で の 全大 気領
域 モ デ ル に加 え て,電 離 圏変 動 の 理解 や宇 宙天 気研 究 の
た め の 電 離 圏 モ デ ル(電 離 大 気 モ デ ル),低 緯 度 電 離 圏 の ダ イ ナ モ 過 程 を 記 述 す る ダ イ ナ モ モ デ ル が 情 報 通 信 研 究 機 構 グ ル ー一一プ を 中 心 に 開 発 さ れ て き た12)『13)。こ れ らの モ デ ル を 結 合 し,大 気 圏 ・電 離 圏 統 合 モ デ ル 開 発 の プ ロ ジ ェ ク トが ス タ ー トし た(図3)。 こ こ で の 統 合 モ デ ル 開 発 に よ っ て,下 層 大 気 を 起 源 と す る 電 離 圏 擾 乱 の 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン が 可 能 と な り,様 々 な 観 測 結 果 と の 比 較 が 期 待 さ れ て い る(電 子 密 度 な ど の 電 離 圏 パ ラ メ ー タ は 比 較 的 観 測 が 容 易 で あ る が,熱 圏 で の 中 性 大 気 は 観 測 が 極 め て 困 難 で あ る)。 こ の 統 合 モ デ ル は,GAIA (Ground-to-topsidemodelofAtmosphereandIonosphere forAeronomy)と 命 名 さ れ,近 年 の 衛 星 観 測 か ら 明 ら か と な っ た 熱 圏 ・電 離 圏 構 造 に 関 す る 初 期 結 果 が 得 られ て い る14)・15)。 結 合 モ デ ル 1太陽 放射 ・オーロラ降 下粒子 ・磁 気圏 対涜電 場1 熱 團 ・8論儒・ 温度 ・樹度 ・㎜
棚
中同固
成層 圏Os 一 〇〇iex o`■虚 蟷" 対 流 ●図3大
気 圏 モ デ ル,電 離 圏 モ デ ル,電 離 圏 ダイ ナ モ モ
デ ル か らな る大 気 圏 ・電 離 圏 統 合 モ デ ル:GAIA
4.欧
州 非 干 渉 散 乱 レー ダ ー と の 共 同
極 域 電 離 圏 ・熱 圏 に は,オ ー ロ ラ現 象 に 伴 う加 熱 現 象
が 存在 す る。 オ ー ロ ラ発 光 を引 き起 こす磁 気 圏 か らの 降
下 粒 子 に よっ て,発 光 だ け で な く大 気 の加 熱 ・電 離 も引
き起 こ され る。 ま た,磁 気 圏 で 作 り出 され た 電 場 が 磁 力
線 に 沿 っ て 極 域 電 離 圏 ・熱 圏 に 投 影 され る こ とか ら,こ
の 領 域 特 有 の 電 離 圏 電 流 が 駆 動 され,こ の 電 流 の 散 逸 に
伴 う加 熱(ジ
ュー ル 加熱)が
生 じ る。 この よ うな 磁 気 圏
か らの エ ネ ル ギ ー 流 入 は 定 常 で は な く,太 陽 風 の 変 動 に
伴 っ て 複雑 に 変 化 す る。 数 値 シ ミ ュ レー シ ョンに よっ て
極 域 電 離 圏 ・熱 圏 変 動 を再 現 す る際 に は,こ
うい った エ
ネ ル ギ ー 流 入 をモ デ ル へ の イ ンプ ッ トと しな けれ ば な ら
な い た め,人]二 衛 星 や レー ダ ー観 測 との 共 同 は 極 めて 重
要 で あ る。
現在,北
欧 に 国 際 共 同 で 設 置 ・運 営 され て い る欧 州 非
干 渉 散 乱 レ ー一一ダ ー一一(EuropeanIncoherentScatterradar: EISCArradar)16)は,世 界 有 数 の 大 型 大 気 レ ー ダ ー一一シ ス テ ム で あ る(1996年 よ り 日本 も 同 レ ー ダ ー の 運 営 に 参 加 し て い る)。EISCATレ ー一一ダ ー シ ス テ ム は,UHF(Ultra HighFrequency)レ ー一一ダ ー,VHF(VeryHighFrequency) レ ー一一ダ ー一一,ESR(EISCATSvalbardRader)の 独 立 した3 つ の レ ー ダ ー シ ス テ ム か ら構 成 さ れ て い る 。 こ れ ら の シ ス テ ム を 構 成 す る ア ン テ ナ 群 は,ト ロ ム ソ(ノ ル ウ ェ ー), キ ル ナ(ス ウ ェ ー デ ン),サ ダ ン キ ュ ラ(フ ィ ン ラ ン ド), ロ ン グ イ ヤ ビ ェ ン(ノ ル ウ ェ ー)に 設 置 さ れ て い る 。 非 干 渉 散 乱 レ ー ダ ー(ISレ ー ダ ー一一)観 測 で は,受 信 し た 散 乱 波 ス ペ ク トル の 解 析 に よ り,イ オ ン ・電 子 の 温度,イ オ ン ド リ フ ト速 度,電 子 密 度 を推 定 す る こ と が で き,こ れ ら か ら詳 細 な 電 離 圏 変 動 の 様 子 を 知 る こ と が で き る ほ か,大 気 加 熱 率 を 推 定 す る こ と が で き る。 本 研 究 グ ル ー プ で は,名 古 屋 大 学 グ ル ー プ,国 立 極 地 研 究 所 グ ル ー プ と の 共 同 に よ り,2010年 度 よ りEISCAT レ ー ダ ー に よ る 特 別 観 測 を 提 案 ・実 施 し て い る 。 様 々 な コ ンデ ィ シ ョ ン(オ ー ロ ラ ・太 陽 活 動)に お い て,極 域 電 離 圏 ・熱 圏 に 流 入 す る エ ネ ル ギ ー 量 を 推 定 し,熱 圏 ・ 電 離 圏 変 動 の 理 解 に 努 め る と と も に,数 値 モ デ ル へ の イ ン プ ッ トデ ー タ 作 成 を 進 め て い る 。5.現
在 進 行 中 の 研 究 プ ロ ジ ェ ク ト ・将 来 観 測
5.11SS-IMAP計 画(国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン か ら の 大 気 光 観 測) 超 高 層 大 気 中 に は,大 気 光 と 呼 ば れ る 大 気 発 光 現 象 が 存 在 す る。 オ ー ロ ラ と 同 じ波 長 の 大 気 光 も あ る が,オ ー ロ ラ と は 違 っ て 磁 気 圏 か ら の 降 下 粒 子 に よ っ て 励 起 状 態 が 作 り 出 され る の で は な く,化 学 反 応 に よ っ て の み 励 起 ・発 光 す る。 し た が っ て,大 気 光 は 高 緯 度 だ け で な く 中 低 緯 度 で も 見 られ る グ ロ ー バ ル な 現 象 で あ る(日 本 上 空 で も 大 気 光 は 観 測 され る)。 大 気 光 強 度 の 空 間 分 布(雲 の よ うに 縞 模 様 に な る こ と も あ る)か ら 大 気 波 動(大 気 重 力 波 な ど)の 波 長 や 伝 搬 方 向 を 推 定 す る こ と が で き る 。 ま た,大 気 光 の ド ッ プ ラ ー シ フ トか ら 大 気 運 動(風 速)の 推 定 が 可 能 と な る ほ か, 輝 線 幅 か ら 大 気 の 温度 が 推 定 で き る。 レ ー ダ ー 観 測 は, 電 離 大 気(プ ラ ズ マ)の 情 報 を 得 る 上 で 有 効 な 観 測 手 段 で あ る が,大 気 光 観 測 か ら は 電 離 し て い な い 中 性 大 気 の 情 報 を 得 る こ と が で き る 。 国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン(lnternationalSpaceStation:ISS) を 利 用 し た 超 高 層 大 気 撮 像 計 画(lonosphere,Mesosphere, upperAtmosphere,andPlasmaspheremapp血g:ISS-IMAP)IDが 進 行 し て い る 。 同 計 画 で は,ISS実 験 モ ジ ュ ー一一ル に 最 新 の 撮 像 機 器 を 搭 載 し,大 気 光 観 測 に よ っ て 中 間 圏 界 面 (∼87㎞),電 離 圏E領 域(∼95㎞)に お け る 大 気 重 力 波 の 水 平 方 向 へ の 広 が り,電 離 圏F領 域(250㎞)に お け る 電 子 密 度 空 間 分 布,電 離 圏 ・プ ラ ズ マ 圏(∼20,000㎞) に お け る0+イ オ ン,He+イ オ ン の 空 間 分 布 を 導 出 す る こ と を 主 目 的 と し て い る 。 こ の よ うな 大 気 光 撮 像 観 測 と 連 携 し て,大 気 圏 ・電 離 圏 モ デ リ ン グ ・シ ミ ュ レー シ ョ ン 研 究 を 実 施 す る こ と に よ り,広 範 な 観 測 デ ー タ に 基 づ く 様 々 な 現 象(例 え ば 大 気 重 力 波 に よ る 対 流 圏 ・電 離 圏 結 合 過 程)の 理 解 が 進 む も の と 考 え ら れ る 。 5.2南 極 昭 和 基 地 大 型 大 気 レ ー ダ ー 南 極 昭 和 基 地 大 型 大 気 レー ダ ー一一計 画(Programofthe AntarcticSyowaMSTASRadar:PANSY計 画)18)が ス タ ー トし て い る。 南極 は 人 間 活 動 の 影 響 が 少 な く,様 々 な 人 工 ノ イ ズ が 軽 減 さ れ る こ と か ら,地 球 環 境 モ ニ タ リ ン グ に 際 し て 有 効 な 場 所 で あ る と 考 え ら れ て き た 。さ ら に, 南 極 上 空 で は,カ タ バ 風,オ ゾ ン ホ ー ル,夜 光 雲,オ ー ロ ラ と い っ た 特 有 の 現 象 が あ る こ と か ら,こ こ に 大 型 レ ー ダ ー を 設 置 し て 南 極 大 気 の 下 層 か ら 上 層 ま で を 総 合 的 に 観 測 し よ う と い うの がPANSY計 画 で あ る。 我 が 国 が 関 係 し て い る 大 型 レ ー ダ ー に は,す で に 述 べ たEISCATレ ー一一ダ ー シ ス テ ム の ほ か に,京 都 大 学 が 運 営 す るMUR(信 楽/日 本),京 都 大 学 ・イ ン ドネ シ ア 航 空 宇 宙 庁 の 共 同 に よ るEAR(イ ン ドネ シ ア)が あ り,南 極 昭 禾口 基 地 にPANSYレ ー ダ ー が 完 成 す る と 北 極 か ら 南 極 に 至 る 地 球 を 横 断 す る 大 型 レー ダ ー 観 測 網 が 完 成 す る 。 RへNSY計 画 で は,レ ー ダ ー 観 測 を 軸 と し て,既 存 の 昭 和 基 地 で の 観 測 を 組 み 合 わ せ る こ と に よ り多 元 的 な 極 域 大 気 観 測 の 実 現 を 目 指 し て い る 。 さ ら に,国 内 研 究 グ ル ー プ に よ っ て 開 発 さ れ て き た い く つ か の 数 値 モ デ ル と レ ー ダ ー 観 測 と の 連 携 に よ り,定 量 的 な,精 密 科 学 と し て の 新 た な 極 域 大 気 科 学 の 構 築 が 期 待 さ れ て い る 。 本 研 究 グ ル ー プ で は,熱 圏 ・電 離 圏 研 究 の た め の 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 担 当 す る。 南 極,北 極 と の 比 較 研 究 か ら, そ れ ぞ れ に 特 徴 的 な 大 気 領 域 間 結 合 過 程(対 流 圏 ・熱 圏/ 電 離 圏 結 合 過 程)に つ い て 調 べ る と と も に,RへNSYレ ー一一 ダ ー で 観 測 さ れ る で あ ろ う 中 間 圏 界 面 付 近 の 乱 流 構 造 と 上 層 大 気 と の 関 係 を 明 ら か に す る 予 定 で あ る 。 研 究 課 題 の1例 と し て,大 気 モ デ ル(GCM)に よ っ て 計 算 さ れ た 風 速 の 高 度 プ ロ フ ァ イ ル を 図4に 示 す 。太 陽 活 動 極 小 期, 地 磁 気 活 動(オ ー一一ロ ラ 活 動)静 穏 時,12月1日Ol:00UT, 緯 度760,経 度170で の 東 西 風(zonalwind)と 南 北 風 (meridionalwind)で あ る 。 高 度 約50㎞ か らllO㎞ 付
