課題名

A-3 オゾン層破壊関連大気微量物質の衛星利用遠隔計測に関する研究

課題代表者名

笹野 泰弘 (環境庁国立環境研究所地球環境研究グループ衛星観測研究チーム)

研究期間

平成7−9年度

合計予算額

178,942千円 (うち9年度 56,937千円)

研究体制

(1) 太陽掩蔽法オゾンセンサーによるエアロゾル計測に関する研究(環境庁国立環境研究所)

(2) 地上衛星間レーザー長光路吸収法による大気微量分子の観測に関する研究

   衛星搭載リフレクタを用いた大気微量分子の計測に関する研究(環境庁国立環境研究所)

  地上衛星間レーザ長光路吸収観測のための衛星軌道決定アルゴリズムに関する研究

(運輸省海上保安庁)

   地上衛星間レーザ長光路吸収システムの総合評価に関する研究(郵政省通信総合研究所)

研究概要

1.序

 オゾン層破壊などの地球規模の大気環境問題の理解のため、総合的かつ高精度の観測が望まれている。このため地上観測に加え、人工衛星を用いた地球規模の観測や、さらに精度の高い大気微量分子の観測が行われようとし、人工衛星によるオゾンの観測では、環境庁においても1996年打ち上げのADEOS衛星にILASRISの二つのセンサーを、また、1999年打ち上げ予定のADEOS-II衛星にはILAS-IIセンサーを搭載し、オゾンおよびオゾン層破壊関連分子、エアロゾル、気温などの観測を開始する。このため、平成2年度から6年度の地球環境総合研究推進費による研究の中でRISに関する計測手法および計測技術の研究を行ってきた。

 太陽掩蔽法による成層圏オゾン層観測においてエアロゾル/極成層圏雲(PSC)による光の減衰は気体微量成分の観測上の障害となるが、同時にそれ自身はオゾン層破壊に関連する不均一反応を評価する上で、重要なエアロゾル表面積分布に関する情報を与える。ADEOS衛星等に搭載される大気センサー(ILAS等)では積極的にエアロゾル/PSCの測定を行うための検出系が組み込まれることになっており、このデータの有効利用のためデータ解析手法の開発研究を行う。

 一方、地上衛星間レーザー長光路吸収法による大気微量分子の観測手法については、今後、これまでに確立された技術に基づいてADEOS/RISを用いた観測実験を実施し、観測手法を実証することが重要な課題である。また、オゾンおよびオゾン破壊関連分子の観測を行い、他の手法による観測結果と合わせて検証するとともに、濃度変動に関するデータを蓄積し、二次的解析につなげることが必要である。また、観測に関する研究の中では、手法の評価の結果をフィードバックするとともに、衛星の追尾精度を上げ大気微量分子の測定精度を向上させるために、レーザー測距による衛星軌道の改良に関する研究を行う。なお、ADEOS/RISを用いた観測実験は、ADEOS衛星そのものの事故による運用停止のために、実験データを踏まえた地上システムの改良作業の中途で断念せざるを得ない事態となった。

 

2.研究目的

 太陽掩蔽法によるエアロゾル/極成層圏雲に関する微物理情報の高精度導出手法の開発を行い、ILAS等の衛星搭載大気センサーデータの解析に適用する。

 地上衛星間レーザー長光路吸収法による大気微量分子の観測に関する研究については、衛星搭載リフレクタを用いてオゾンおよびオゾン破壊関連分子の観測を行い、観測手法の検証を行うとともに、濃度の経年変化を明らかにし、観測結果に基づいて、分光手法、データ解析手法の再検討を行い、測定精度の向上を図る。また、大気微量分子の測定精度向上を目的として衛星の追尾精度を上げるために、レーザー測距による衛星軌道の高精度予測・決定に関する研究を行う。さらに、衛星搭載リフレクターの光学特性、大気の光学的特性を含む光伝送特性、衛星の追尾特性など衛星利用長光路システムの総合的評価を行うとともに、観測データの誤差評価、観測精度向上に反映させる。

 

3.研究の内容・成果

(1)太陽掩蔽法オゾンセンサーによるエアロゾル計測に関する研究

 太陽掩蔽法を測定原理とする改良型大気周縁赤外分光計(ILAS)の赤外分光計データの信号処理において、エアロゾル/PSCS(極成層圏雲)等による連続吸収スペクトル成分を、気体などによる吸収スペクトルと分離し、補正することが要請されている。同時に、分離されたエアロゾル/PSCS等による連続吸収スペクトルは、エアロゾル/PSCSの種類の同定や、定量化の情報を与える。本研究では、解析手法の提案、シミュレーションによる検討、実データヘの適用を行った。

 シミュレーションによれば、提案した方法でエアロゾル/PSCSの種類の判定と、粒径分布パラメータの推定が可能であることが示された。実際のILASデータヘ適用したところ、気体成分による寄与、エアロゾル/PSCSによる寄与以外に、オフセット成分の存在が認められ、提案した方法そのままでの適用は困難であった。現実的な対処として、線形補間法を採用しエアロゾル/PSCS及びオフセット分の補正を施し、気体成分の導出を行った。また、エアロゾル/PSCSによる吸収スペクトルとオフセット分の線形結合で、非気体成分を表現し、気体成分との同時推定を行った。いずれも、合理的な補正が行われている。

(2)地上衛星問レーザー長光路吸収法による大気微量分子の観測に関する研究

  ̄卆嬰觝椒螢侫譽タを用いた大気微量分子の計測に関する研究

 RISを用いた観測実験では、地上から炭酸ガスレーザーを発射し、そのRISによる反射光を受信することによって往復の光路の大気の吸収を測定する。これは、レーザー長光路吸収法と呼ばれる手法を地上と衛星の間で行うもので原理的に高感度の吸収分光測定が可能である。ADEOSの打ち上げ後、まず、可視光および赤外光のレーザーを用いてRISからの反射光強度の評価を行いRISが軌道上で設計通りの特性を持つことを評価した。次に炭酸ガスレーザーを用いて、RISを用いた地上衛星間のレーザー長光路吸収によるオゾンのスペクトル測定を行った。これによりオゾンのカラム濃度を導出した。また、レーザーヘテロダイン分光計を用いた検証実験を同時に行い、両者で求めたカラム濃度が良く一致することを示した。さらに、測定データを用いて誤差の解析を行い、RIS測定において測定精度を制限する誤差要因が、2波長のレーザービームパタンのわずかな違いによって生じていることを特定した。これらの結果に基づいて、送信光学系、追尾系の改良を行い、誤差を当初の約1/5に改善した。

 地上衛星間レーザ長光路吸収観測のための衛星軌道決定アルゴリズムに関する研究

 ADEOSの軌道予報精度向上のため、主にその非対称形状を考慮した手法を開発し、グローバルデータを用いた軌道予報実験により評価を行った。まず、衛星の重心とレーザー測距のためのリフレクターの光学中心のずれを補正するためのモデル(質量中心補正モデル)を構築した。また、大気抵抗、太陽輻射圧の影響を正確に見積もるため、ADEOSの形状を近似したBOX-WINGモデルを構築した。軌道予報実験の結果、これらのモデルによる予報精度の大幅な向上が示された。

 長期データの総解析により、本手法による軌道予報精度を評価すると、進行方向の成分で、一週問後に数百m程度となった。

 なお、下里水路観測所において、平成810月より、平成96月にADEOSが機能を停止するまでレーザー測距観測を行い、得られたデータをデータセンターに送付することにより、軌道予報に貢献した。

 C肋絮卆唄屮譟璽仰晃路吸収システムの総合評価に関する研究

 RISの実験を行うためには、まず衛星の捕捉と高精度追尾が必要であり、このような高精度の衛星追尾が可能な望遠鏡システムと高精度衛星追尾のための衛星軌道予報を必要とする。望遠鏡の高精度な追尾では、望遠鏡架台のエンコーダーの周期茣蓙が追尾誤差の大きな要因となるため、通信総研の望遠鏡においてその誤差の除去のための改良を行い、測地衛星を用いてレーザ光の反射光撮像の予備実験を行った。また、衛星の捕捉、高精度追尾には高精度な軌道予測が必要であり、レーザ測距ネットワークのデータによる軌道決定手法の技術を開発した。

 本研究では、RISセンサーを有効に活用し、地上の光学追尾用レーザーを測距用として用いたレーザ測距データを利用し、衛星の軌道を準リアルタイムに高精度に予報する技術を開発を行った。また、衛星の軌道決定は一局だけでなく、全世界のレーザ追尾ネットワークのデータを利用することがより有効であるため、国内、国外の衛星測距をおこなっている機関と連携をとり、ADEOSのような地球観測衛星にレーザ測距ネットワークでの測距データを利用して軌道決定を行う。

 地上と衛星間を利用するレーザ長光路吸収計測手法を用いて地球大気環境問題にかかわる大気微量分子を高精度に測定する場合は、レーザー安定性、検出器の雑音、伝搬路大気の揺らぎ、さらには衛星の追尾誤差が衛星等によって、衛星から反射されて帰って来るレーザー光の受信強度は時間的に変動し、微量成分の測定精度に影響を及ぼす。RISを用いる大気微量成分測定の実験における測定精度の評価を衛星地上間での長光路吸収実験のデータを用いて行った。

 

4.考察

 当初の研究計画では、第一の方法としてILAS赤外分光計の窓チャンネルデータを利用して、エアロゾルタイプの識別、粒径分布パラメータの推定、理論計算によるスペクトル補間、という逐次解法の採用を予定していた。シミュレーションでは、この方法が十分機能することが示されたが、実際のILASデータからは、オフセットの存在が推定され、現実的な対応(線形補間法によるスペクトル推定)への変更が必要となった。ILASデータ処理運用ソフトウェア(Version 3.10)は、この線形補間法によるスペクトル推定法を採用しており、これで求めた気体成分濃度分布は、その他の問題に起因する不都合を除いては、ほぼ妥当なものとなっている。

 第2の方法は、赤外分光計の全チャンネルデータを利用して、気体成分とエアロゾル/PSCS成分の寄与を同時推定するものである。やはり、オフセットを考慮する必要があるため、オフセット分をも未知数として解くことを試みている。エアロゾル/PSCSの場合、特に赤外波長領域の消散係数、あるいはPSCSの種類、濃度等の直接的な検証データを得ることが極めて難しい。そのため、導出された結果の妥当性の評価が難しい。将来的に、有効な検証の方法を検討していく必要がある。

 RISを用いた分光計測実験によって、地上衛星間のレーザー長光路吸収に基づく大気微量分子の計測手法を初めて実証した。当初、レーザーや追尾技術等の問題点もあったが、この計測手法が大気微量分子の計測手法として有効であることを技術的に確認できた。残念ながら、ADEOSの運用停止によりRISを用いた実験観測は19976月末で中断した。全く予期しない事態であったため、RISについてはこれに続く具体的な計画がない。

 RISを用いた実験により、地上衛星間の光路と地上の光路のレーザー長光路吸収法の間には、追尾誤差の問題以外には、大気揺らぎ等の大きな違いはないことが示された。このことから、RISで計画していて実施できなかった、5ミクロン帯、3ミクロン帯や、あるいは、レーザー等の制約でRISでは計画していなかった分子の測定についても、地上衛星間の測定で、理論的予測に近い測定精度が期待できるものと考えられる。一般に、対流圏の大気微量分子については受動方式の遠隔計測は必ずしも有効でなく、地上衛星間レーザー長光路吸収分光法に基づく計測システムの役割が期待される。しかし、RISの測定では、衛星通過時のみしか測定ができないこと、またその時間の天気に依存することが大きな欠点である。また、地上システムが大型であることも欠点である。

 地上衛星間レーザー長光路吸収分光法には、RISのように低軌道衛星搭載のリフレクターを用いる方法と、衛星に検出器システムを搭載する方法がある。前者は搭載機器は簡単であるが、RISの場合のように大口径の追尾望遠鏡を必要とする。これに対して、衛星に検出器を搭載する方法では、レーザー光を衛星上で受信しデータを電波で地上に伝送するため、地上局は口径の小さい送信システムのみで良く、また、静止軌道衛星を利用すれば衛星の追尾も簡単になる。また、レーザーパワーも小さくてすむため地上のシステムは大幅に小型化される。運用の効率の観点からも静止衛星システムは格段に効率が高い。光学的測定手法である限り、天気の制約はあるものの測定時間の制約はなく長時間の積算による高感度測定も可能である。複数の地上局からのレーザー光を同時に受信できるシステムとすることによって、運用効率の極めて高い観測システムを構築することができる。今後、RISで得た技術的基礎データに基づいて、上のような静止軌道衛星システムを利用した地球温暖化や酸性雨に係る大気化学種の観測システムの実現を目指す研究を推進すべきであろうと考えられる。

 本研究で開発した手法・モデルによって、ADEOSの軌道予報精度が有意に改善された。この成果は、ADEOSに対しては十分に生かせなかったが、ここで開発した手法は、これから打ち上げられる地球観測衛星に応用することができる。研究を通じての問題点として、モデルの高精度化のための測距データの時間密度が不足していたことが挙げられる。したがって、今後の衛星については、打ち上げ後初期に強化観測期間を設けることが望まれる。

 RIS実験のためにADEOSのレーザ測距ネットワークデータを用いた高精度な衛星光学追尾技術を確立し、RISの追尾実験を行った。これまでに得られたデータより、一定の観測モデル・運動モデルを利用して軌道決定精度・予報精度解析をおこなうことができた。軌道決定精度については、今回の結果ではオーバラップ期間の比較で、進行方向でおよそ数m〜数十mの精度であった。SLRデータを使用することにより従来の方法であるRARRデータを使った場合よりも精度の良い軌道決定が可能なことが示され、軌道予報精度については、3日後に100m以内という精度要求を満した。実験において太陽活動極大期のSLRデータを取得できなかったことは非常に残念である。また、本研究を通じて、今後の日本の地球観測衛星のレーザ追尾システム(予報分配、データ収集)のプロトタイプの作成と国内外の協力関係を築く貴重な経験が選られた。

 このRIS追尾実験によって選られたデータを解析し、衛星地上間の長光路差分吸収実験を行う際の、誤差要因の検討を行った。特に、非相関誤差についてこれまで他の実験で得られている値と比較し、RISのように地球観測衛星を用いても長光路差分吸収法が十分活用可能な精度になることが明らかになった。

 

5.研究者略歴

課題代表者:笹野泰弘

1952年生まれ、東北大学大学院理学研究科修士課程修了、

現在、国立環境研究所地球環境研究グループ衛星観測研究チーム総合研究官

主要論文:

1. Sasano, Y., M, Suzuki, T. YOkota, H. Kanzawa: Early results from Improved Limb ATmospheric Spectrometer (ILAS) measurements, Geocarto International, 12, (4), 61-68, (1997)

2. Sasano, Y., M. Suzuki, T. YOkota, H. Kanzawa: Improved Limb Atmospheric Spectrometer (ILAS) measurements of the stratospheric ozone layer: its early results, J. Japan Remote Sensing Soc., 17, 493-499, (1997) (in Japanese)

3. Suzuki, M., A. Matsuzaki, T. Ishigaki, N. Kimura, N. Araki, T. Yokota, Y. Sasano: ILAS, the Improved Limb Atmospheric Spectrometer, on the Advanced Earth Observing Satellite, IEICE TRANS. Commun., E78-B, 12, 1560-1570, (1995)

 

サブテーマ代表者

(1): 笹野泰弘(同上)

 

(2) Э本伸夫

1954年生まれ、大阪大学大学院基礎工学研究科修士修了、

現在、環境庁国立環境研究所大気圏環境部高層大気研究室室長、

主要論文:

1. Sugimoto, N. (1987) "Atmospheric environment monitoring system based on an earth-to-satellite Hadmard transform laser long-path absorption spectrometer: a proposal, "Appl. Opt. 26 763-764.

2. 杉本伸夫、笹野泰弘、中根英昭、林田佐智子、松井一郎、湊 淳、成層圏および対流圏オゾン鉛直分布の測定を目的とする多波長オゾンレーザーレーダーの製作、応用物理 58(9) 1385-1397 (1989).

3. Sugimoto, N. and A. Minato (1995b), "Data Reduction Method for the Laser Long-Path Absorption Measurement of Atmospheric Trace Species Using the Retroreflector in Space," IEICE Trans. Commun., E78-B (12), 1585-1590.

◆藤田雅之

1964年生まれ、京都大学大学院理学研究科博士課程修了、

現在、海上保安庁水路部海洋研究室研究官

主要論文:

1. Horizontal Motion of Chichijima Driveed from Satellite Laser Ranging Observations: Report of Hydrographic Researches, Vol.34, (1998).

2. 「あじさい」SLRデータ解析による一次基準点・下里間の基線ベクトル推定: 水路部研究報告第33号、 (1997).

3. Estimation of Crustal Structure in Central and West Japan from Waveform Modeling of Regional PL waves: Pure and Applied Geophysics, Vol.140, (1993).

:板部敏和

1948年生まれ、九州大学理学部卒業、

現在郵政省通信総合研究所 地球環境計測部 光計測研究室 室長

主要論文:

1. T. Itabe, K. Asai. M. Ishizu, T. Aruga and T. Igarashi: Measurements of the urban ozone vertical profile with an airborne CO2 DIAL, Appl. Opt., 28, 931-934, 1989

2. 板部敏和: "光測定ハンドブック 3.2 レーザーレーダー装置" 朝倉書店、 1994

3. T. Itabe, M. Ishizu, K. Mizutan and K. Asai: Development of 2μm coherent Doppler lidar in Japan for wind measurements from space., 21st ISTS, May., 1998, Ohmiya, Japan