金星大気流出

Credit by ESA

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金星は地球のような固有磁場をもたず、超高層大気が太陽風とよばれる太陽から吹き付けるプラズマや磁場の流れと直接相互作用しています。この直接の相互作用により、金星超高層の電離大気は太陽風中の電磁場によって加速を受け、宇宙空間へ流出するという現象が起こっています。 この大気流出現象は金星の大気進化に大きな影響を及ぼしてきたと考えらており、過去の金星の姿を突き止めるため現在も世界中で研究が行われています。我々は欧州の探査機Venus Expressが観測したデータを用い、金星の電離大気がどのような物理過程で加速され、宇宙空間へ流出していっているのかを調べています。

Due to lack of intrinsic magnetic field on Venus, the upper atmosphere is directly interacted with the solar wind. As a result of the interaction, ionospheric ions can be accelerated beyond an escape velocity and removed from Venus. The fact has played an important role for the atmospheric evolution on Venus. Collaborating with European Institute, we analyze the data from Venus Express to study about the ion escape from Venus. Purpose of this study is to figure out physical processes of the ion acceleration and to determine a total amount of removed ionospheric components with a dependence on the solar wind’s conditions.

火星探査機で捉える微量大気成分

Credit by ESA

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火星探査衛星MarsExpressに搭載されている赤外フーリエ分光器(PFS)を用いて、火星大気中に存在するメタン(CH4)・過酸化水素(H2O2)の研究を行っています。メタンは近年発見された成分で、生命活動や地学活動に起源があるのではないかと考えられています。私達は、メタン起源解明を目指してデータの解析を進めています。また、メタンの高度分布の導出も目指しています。過酸化水素は火星大気中の代表的な酸化成分です。私達は過酸化水素を衛星データから検出することに成功しました。しかし、その存在量は非常に少なく、メタンの酸化消失には不十分である事を示しました。観測されているメタンはどのように消失しているのか、研究を進める必要があります。

科学衛星・惑星探査機の搭載機器開発

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(JUICE搭載プラズマ波動受信機の開発風景)

Staffの役割の1つは、「長期投資」すなわちすぐに結果がでない仕事を頑張ることです。 みなさんに一部お手伝い頂きながら以下の開発が走り、特に「電場電波観測装置」や「データプロセッサ」の開発責任を担ってきました。
惑星専用紫外線・極端紫外線望遠鏡衛星 Hisaki / Exceed (2013年9月に打上成功! 活動中)
ジオスペース探査衛星ERG (2016年度打上予定)
日欧共同水星探査計画 BepiColombo (2017年打上,2024-2026年周回観測予定)
欧ESA 木星探査計画 JUICE (2022年打上,2029-2031年周回観測を予定)

並行して,以下のミッションにも共同研究者として研究に参加中.
米NASA 火星探査機 MAVEN(2014年に周回観測開始)
欧ESA 火星探査機ExoMars Trace Gas Orbiter(2016年に到着,2017年に観測開始)

また、2024年を目指している日本の火星探査検討にも加わっています.こういうものはすべて息の長い仕事ですが、望遠鏡・海外探査機による観測研究、数値モデルによる理論研究、観測機器の基礎開発といった「結果に近い仕事」を積み重ねつつ、みなで頑張っていきましょう。

地上大型望遠鏡で捉える火星微量大気成分

地上望遠鏡による観測

近年、火星の地下に多量の氷がある事が示唆されており、火星の水循環に注目が集まっています。私達は、すばる望遠鏡で火星水蒸気の同位体比の分布を調べ、大気大循環モデルと比較することで、水循環の解明を目指しています。また、火星探査衛星データから、水蒸気の高度分布導出を目指しています。火星大気中の水蒸気は近年、飽和度を超える量が存在する「過飽和」状態になっていることが示唆されており、高度分布の詳細な研究が重要となっています。さらに、これらの微量成分の研究をさらに進めるため、ハワイ・ハレアカラ望遠鏡に私たちが開発を進めている赤外ヘテロダイン分光器を取り付けて、継続観測する予定です。

火星大気大循環モデルの開発

Credit by NASA

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火星は地球に比べて寒冷・乾燥し大気が薄く、その環境の特徴としては起伏の激しい地形、ドライアイスの極冠、時に全球規模に広がるダストストームの存在などが知られています。その一方で太古の火星地表面には液体の水が潤沢に存在した証拠がいくつも発見されており、その水の多くは太陽風により宇宙空間に散逸したと考えられる一方で、北極氷床および地下水(地下氷)としてかなりの量の水が現在の火星に存在することも知られています。
火星大気大循環モデルDRAMATIC (Dynamics, RAdiation, MAterial Transport and their mutual InteraCtions) MGCMは東京大学・国立環境研・JAMSTECにより共同開発された地球大気モデルを火星環境に作り替えたもので、二酸化炭素とダストの放射効果・二酸化炭素の相変化など火星独自の物理過程を取り扱うスキームを開発してモデルに導入し、大気温度・地表面気圧・ドライアイス極冠などの季節変化を再現、ダストストームによる大気の循環の変化などの研究に活用されました。
さらに水や二酸化炭素氷雲などの物質循環の導入に着手し、観測データとほぼ整合する水蒸気のカラム積算量および存在限界高度の季節変化が得られています。また中層大気(高度50km以上)に見られる二酸化炭素氷雲の季節・緯度分布についても観測データと整合する結果が得られています。さらに火星大気における水同位体比の観測を見据えたHDO循環の導入にも着手し、先行理論研究と整合するHDO/H2O比の緯度および季節変化を再現しました。

Mars has colder environment in comparison with Earth, with dry and thin atmosphere, rough topography, seasonal CO2 ice cap, and dust storms which sometimes expand to planet-encircling. On the other hand, there are many topographic evidences which indicate the existence of rich liquid water on the surface of old Mars. Most of the water is thought to be escaped into space by interactions with the solar wind, while not a little water has been found in the north polar cap and underground. We have developed a Mars General Circulation Model named DRAMATIC (Dynamics, RAdiation, MAterial Transport and their mutual InteraCtions), based on the terrestrial atmospheric model developed in the Univ. of Tokyo, NIES and JAMSTEC, by introducing some physical schemes specific on Mars such as the radiative effects of CO2 and dust and the phase changes of CO2. The model well reproduces the seasonal changes of temperature field, surface pressure and CO2 polar ice distribution, and has been used for the investigations of atmospheric dynamics such as the change of atmospheric circulation in different dust opacity. Moreover, we are starting the implementation of the material transport schemes such as water and CO2 ice clouds, and have reproduced consistent distributions of water vapor column density and hygropause with observations. We have also reproduced consistent seasonal and latitudinal distributions of CO2 ice clouds in middle atmosphere (higher than ~50 km) with observations. We have also implemented the HDO cycle for the future observations of the water isotopic ratios on Mars, and have reproduced consistent seasonal and latitudinal changes of HDO/H2O ratio distributions with the previous theoretical studies.

土星オーロラ電波の研究

Credit by NASA

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土星はSKR(Saturn kilometric radiation)と呼ばれる100-400 kHzにピークを持つ電波を放射しています.この電波は極域のオーロラ加速域で磁力線に沿って電子が加速されるときに,非熱的な過程によっておおよそローカルな電子のサイクロトロン周波数で放射されると考えられています.この特徴により,SKRのスペクトルから,オーロラ加速域の高度を推測することができます.このリモートセンシングツールとしての特徴は,SKRと放射機構が同様である地球のAKR(auroral kilometric radiation)ではよく知られています.SKRは多くのユニークな特徴を持っています.例えば,SKRの強度は周期である周期変動していますが,その周期が南北で非対称であり,さらにそれは経年変化も伴います.加えて,土星磁気圏の磁場やオーロラなどの現象にも同じような周期性が発見され,土星の磁気圏研究におけるホットトピックスとなっています.本研究では,そのような多様な現象の中から,土星における”substorm-like”な現象に伴って起きると考えられている,SKRスペクトルの低周波数への拡大に着目しています.サブストームに伴って電波のスペクトルが過渡的に変化する現象はAKRにおいてすでに研究が進んでいます.このスペクトルの変化はオーロラ加速域の高度分布が拡大している様子と理解できます.本研究は土星探査機Cassiniによって観測された高時間分解能のスペクトルデータを用いることによって,土星のオーロラ加速域の過渡的発展を調べることを目的としています.さらに最終的には,沿磁力線電流などとの関連データを調査し,また地球で得られている知見と比較検討することにより,土星のオーロラ加速域の生成および変動プロセスの包括的理解に貢献したいと考えています.

Saturn emits the radio emission called Saturn kilometric radiation, SKR which has a spectral peak between 100 and 400 kHz.Since this radio emission is thought to be emanated at about local electron cyclotron frequency via non-thermal process by acceleration along auroral field line, You can deduce an altitude distribution of the auroral acceleration region at Saturn. It is also known well that auroral kilometric radiation can be used as a remote sensing tool for measuring the auroral acceleration region. SKR has a lot of unique characteristics. For instance, SKR intensity from the northern hemisphere and from southern hemisphere vary at different frequencies. And these frequency change with time. Furthermore, similar modulations of aurora, magnetic field and ENA are reported. They are now hot topics of studies on Saturnian magnetosphere. In this study, We focus on a transient lower-frequency extension of SKR accompanied with “substorm-like event”. The transient change in AKR dynamic spectra is well-researched and can be regarded as the vertical extension of the auroral acceleration region. We intents to go over the transient evolution of the Saturnian auroral acceleration region using high time resolution spectral data obtained by Cassini, the only Saturn orbiter. Finally we hope that we will contribute to a comprehensive understanding for the process of the generation and the variation of the Saturnian auroral acceleration region by checking the relation with other physical quantity and comparing with the knowledge about Earth’s case.

2000

  1. Kubota, M., K. Shiokawa, M.K. Ejiri, Y. Otsuka, T. Ogawa, T. Sakanoi, H. Fukunishi, M. Yamamoto, S. Fukao, A. Saito, Traveling ionospheric disturbances observed in the OI 630-nm nightglow images over Japan by using a multipoint imager network during the FRONT campaign, Geophys. Res. Lett., 27, 24, 4037-4040, 2000.
  2. Shiokawa, K., W. Baumjohann, G. Harendel, H. Fukunishi, High- and low-altitude observations of adiabatic parameters associated with auroral electron acceleration, J. Geophys. Res., 105(A2), 2541-2550, 2000.
  3. Taguchi, M., H. Fukunishi, S. Watanabe, S. Okano, Y. Takahashi, T. Kawahara, Ultraviolet imaging spectrometer (UVS) experiment on board NOZOMI spacecraft: instrumentation and initial result, Earth, Planets Space, 52(1), 49-60, 2000.
  4. Taguchi, M., G. Funabashi, S. Watanabe, Y. Takahashi, H. Fukunishi, Lunar albedo at hydrogen Lyman alpha by the NOZOMI/UVS, Earth, Planets Space, 52(9), 645-647, 2000.
  5. Takahashi, Y., M. Fujito, Y. Watanabe, H. Fukunishi, W.A. Lyons, Temporal and spatial variations in the intensity ratio of N-2 1st and 2nd positive bands in SPRITES, Adv. Space. Res., 26(8), 1205-1208, 2000.
  6. Yoshida, N., S. Watanabe, H. Fukunishi, T. Sakanoi, T. Mukai, H. Hayakawa, A. Matsuoka, Y. Kasahara, R. Fujii, S. Nozawa, Y. Ogawa, Coordinated Akebono and EISCAT observations of suprathermal ion outflows in the nightside inverted-V region, J. Atmos. Solar Terr. Phys., 62(6), 449-465, 2000.

1999

  1. Fukunishi, H., S. Watanabe, M. Taguchi, S. Okano, Y. Takahashi, Mars ultraviolet imaging spectrometer experiment on the PLANET-B mission, Adv. Space Res., 23(11), 1903-1906, 1999.
  2. Lanzerotti, L. J., A. Shono, H. Fukunishi, Long-period hydromagnetic waves at very high geomagnetic latitudes, J. Geophys. Res., 104(A12), 28,423-28,435, 1999.
  3. Murata, I., N. Fukuma, Y. Ohtaki, H. Fukunishi, H. Kanzawa, H. Nakane, K. Shibasaki, Measurements of O3 and N2O in Alaska with a tunable diode laser heterodyne spectrometer, Adv. Space Res., 24(12), 1623-1626.
  4. Pickett, J. S., D. A. Gurnett, J. D. Menietti, M. J. LeDocq, J. D. Scudder, L. A. Frank, J. B. Sigwarth, K. L. Ackerson, D. D. Morgan, J. R. Franz, P. M. Kintner, B. T. Tsurutani, C. M. Ho, J. Chen, T. A. Fritz, C. T. Russell, W. K. Peterson, Y. Kasahara, I. Kimura, S. Watanabe, G. G. Arkos, G. Rostoker, S. Kokubun, H. Fukunishi, R. F. Pfaff, F. S. Mozer, S. Y. Hsieh, T. Mukai, M. O. Chandler, Plasma waves observed during cusp energetic particle events and their correlation with Polar and Akebono satellite and ground data, Adv. Space Res., 24(1), 23-33, 1999
  5. Sakanoi, T., H. Fukunishi, Observations of vertical winds in the thermosphere with a Fabry-Perot Doppler imager at Syowa Station, Antarctica, Adv. Space. Res., 24(11), 1439-1442, 1999.
  6. Sato, M., H. Fukunishi, L.J. Lanzerotti, C.G. Maclennan, Magnetic impulse events and related Pc 1 bursts observed by the Automatic Geophysical Observatories network in Antarctica, J. Geophys. Res., 104(A9), 19,971-19,982, 1999.
  7. Sato, M., H. Fukunishi, R. Kataoka, A. Shono, L.J. Lanzerotti, J.H. Doolittle, S.B. Mende, M. Pinnock, Dayside auroral dynamics observed by the AGO network in Antarctica, Adv. Polar Upper Atmos. Res., 13, 67-78, 1999.
  8. Sugimoto, N., N. Koga, I. Matsui, Y. Sasano, A. Minato, k. Ozawa, Y. Saito, A. Nomura, T. Aoki, T. Itabe, H. Kunimori, I. Murata and H. Fukunishi, Earth-satellite-Earth laser long-path absorption experiment using the retroreflector in space (RIS) on the Advanced Earth Observing Satellite (ADEOS), J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 1, 201-209, 1999.

1998

  1. Arnoldy, R. L., J. L. Posch, M. J. Engebretson, H. Fukunishi and H. J. Singer, Pi 1 magnetic pulsations in space and at high Iatitudes on the ground, J. Geophys. Res., 103(A10), 23, 581-23, 591, 1998.
  2. Doolittle, J. H., S. B. Mende, H. U. Frey, T. J. Rosenberg, A. T. Weatherwax, L. J. Lanzerotti, C. G. Maclennan, R. L. Arnoldy, M. J. Engebretson, H. Fukunishi, U.S. Inan, Substorm auroral expansion to high latitudes and the dawn/dusk flanks, Substorms-4, Astrophys. Space Sci. Library, 238, 47-50, Terra Sci. Pub. and Kluwer Acad. Pub., 1998.
  3. Hirahara, M., T. Mukai, I. Shinohara, N. Kaya,H. Fukunishi, H. Hayakawa, T. Yamamoto E. Kaneda, Spatially quasiperiodic plasma and electromagnetic signatures in the poleward boundary of the auroral oval: Observations on the morningside, J. Geophys. Res., 103(A4), 6899-6912, 1998.
  4. Kubota, M., S. Okano H. Fukunishi, Neutral atmosphere dynamics in the E- and F-regions from Fabry-Perot Doppler imaging observations, Mem. Natl Inst. Polar Res., Spec. Issue, 52, 55-67, 1998.
  5. Maruyama, N., S. Watanabe, H. Fukunishi, K. -I. Oyama, B. G. Fejer, L. Schherliess, Modeling of the response of the low-latitude ionosphere to substorm activities, Substorms-4, Astrophys. Space Sci. Library, 238, 115-118, Terra Sci. Pub. and Kluwer Acad. Pub., 1998.
  6. Morooka, M., T. Yamamoto, T. Mukai, K. Tsuruda, H. Hayakawa, H. Fukunishi, Relationship between field-aligned currents and parallel electric field observed by Akebono, Substorms-4, Astrophys. Space Sci. Library, 238, 59-62, Terra Sci. Pub. and Kluwer Acad. Pub., 1998.
  7. Nakamura, T., T. Tsuda, H. Miyagawa, Y. Matsushita, H. Fukunishi, Y. Takahashi, Y. Yamada, Propagation directions of gravity wave patterns observed in OH CCD images during the SEEK campaign, Geophys. Res. Lett., 25(11), 1793-1796, 1998.
  8. Osaki, H., K. Takahashi, H. Fukunishi, T. Nagatsuma, H. Oya, A. Matsuoka, D. K. Millig, Pi 2 pulsations observed from the Akebono satellite in the plasmasphere, J. Geophys. Res., 103(A8), 17, 605-17, 615, 1998.
  9. Smith, A. J., M. J. Engebretson, E. M. Klatt, U. S. Inan, R. L. Arnoldy, H. Fukunishi, Periodic and quasiperiodic ELF/VLF emissions observed by an array of Antarctic stations, J. Geophys. Res., 103(A10), 23, 611-23, 622, 1998.
  10. Taylor M. J., T. Nakamura, T. Tsuda, H. Fukunishi, Y. Takahashi, Long base-line measurements of short-period mesospheric gravity waves during the SEEK campaign, Geophys. Res. Lett., 25(11), 1797-1800, 1998.

1997

  1. Dyrud, L.P., M.J. Engebretson, J.L. Posch, W.J. Hughes, H. Fukunishi, R.L. Arnorldy, P.T. Newell, R.B. Horne, Ground observations and possible source regious of two types of Pc 1-2 micropulsations at veryhigh latitudes, J. Geophys. Res., 102, 27011-27027, 1997.
  2. Fukunishi, H., Y. Takahashi, M. Sato, A. Shono, M. Fujito, Y. Watanabe, Ground-based observations of ULF transients excited by strong lightning discharges producing elves and sprites, Geophys. Res. Lett., 24, 2973-2976, 1997.
  3. Kawahara, T.D., S. Okano, T. Abe, H. Fukunishi, K. Ito, Glass-type hydrogen and deutrium absorption cells developed for D/H ratio measurements in the Martian atmosphere, Applied Optics, 36, 2229-2237, 1997.
  4. Lanzerotti, L. J., A. Shono, H. Fukunishi, C. G. Maclennan, L. V. Medford, Long-period hydrodynamic waves at very high geomagnetic latitudes, Antarctic J. United States, 32(5), 195-197, 1997.
  5. Nakamura, T., T. Tsuda, S. Fukao, H. Takahashi, P. P. Batista, R. A. Buriti, M. Tsutsumi M. Ishii, K. Igarashi, H. Fukunishi, Y. Yamada, A. Nomura, T. D. Kawahara, K. Kobayashi, C. Nagasawa, M. Abo, M. J. Taylor, Studies of the MLT region using the MU radar and simultaneous observations with OH spectrometer and other optical instruments, Adv. Space Res., 19(4), 643-652, 1997.

1996

  1. Engebretson, M.J., Dyrud, L.P., P. T. Newell, W.J. Hughes, R.L. Arnorldy, H. Fukunishi, Pattrerns in high latitede observations of Pc 1-2 micropulsations, Antarctic J. United States, 31(2), 246-249, 1996.
  2. Fujiwara, H., S. Maeda, H. Fukunishi, T.J. Fuller-Rowell, D.S. Evans, Global variations of thermospheric winds and temperatures caused by substorm energy injection, J. Geophys. Res., 101, 225-239, 1996.
  3. Fukunishi, H., Y. Takahashi, M. Kubota, K. Sakanoi, Elves: lightning-induced transient luminous events in the lower ionosphere, Geophys. Res. Lett., 2157-2160, 1996.
  4. Hirahara, M., T. Mukai, T. Nagai, N. Kaya, H. Hayakawa, H. Fukunishi, Two types of ion energy dispersions observed in the nightside auroral regions during geomagnetically disturbed periods, J. Geophys. Res., 101, 7749-7767, 1996.
  5. Nagatsuma, T., H. Fukunishi, H. Hayakawa, T. Mukai, A. Matsuoka, Field-aligned currents associated with Alfven waves in the poleward boundary region of the nightside auroral oval, J. Geophys. Res., 101, 21715-21729, 1996.
  6. Obara, T., T. Mukai, H. Hayakawa, K. Tsuruda, A. Matsuoka, A. Nishida, H. Fukunishi, L. Zhu, J. Sojka, D. Crain, Multiple polar cap arcs: Akebono (Exos D) observations, Radio Sci., 31, 645-653, 1996.

1995

  1. Koide, M., M. Taguchi, H. Fukunishi, S. Okano, Ground-based remote sensing of methane height profiles with a tunable diode laser heterodyne spectrometer, Geophys. Res. Lett., 22, 401-404, 1995.
  2. Nagatsuma, T., H. Fukunishi, T. Mukai, Spatial relationships between field-aligned currents and suprathermal electron beams observed at the poleward boundary of the nightside auroral oval, J. Geophys. Res., 100, 1625-1637, 1995.
  3. Nakajima, H., S. Okano, H. Fukunishi, T. Ono, Observations of thermospheric wind velocities and temperatures by the use of a Fabry-Perot Doppler imaging system at Syowa Station, Antarctica, Appl. Opt., 34, 8382-8395, 1995.
  4. Sakanoi, T., H. Fukunishi, T. Mukai, Relationship between field-aligned currents and inverted-V parallel potential drops observed at midaltitudes, J. Geophys. Res., 100, 19343-19360, 1995.