宇宙空間からの地球超高層大気の観測

齊藤 昭則（地球物理学教室・准教授）

地表から宇宙空間までの大気の波の伝搬

　高度80kmから1000kmに広がる超高層大気領域は宇宙空間と地球大気圏の境界の領域になっています。人工衛星や国際宇宙ステーション(International Space Station: ISS)が飛翔している領域なので、大気は存在しないように見えますが、密度は低いものの大気が存在しています。さらに宇宙空間で支配的なプラズマも存在しているため、両者が混在して複雑な現象が起こっています。オーロラに代表されるような地球の外部から入ってくるエネルギーによってこの領域は動かされている部分が多いとこれまで考えられてきましたが、近年の観測では、地表付近の現象が原因となって超高層大気の変動を起こしていることも明らかになってきました。図1はその一つの例で、2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震の発生の1時間後の高度400kmを中心として存在するプラズマ量(Total Electron Contents: TEC)の変化を示しています。国土地理院のGPS受信機網GEONETによって行われた観測データを用いてTECを算出し、それから変動分だけを取り出したものです [参考文献(1), (2)]。赤い星印は地震の震央の位置を示していますが、震央の少し南東の位置を中心とした同心円状のプラズマの構造が発生していることが分かります。この同心円構造は震央から遠ざかる方向に伝わっていることが連続したデータから確かめられていますので、地震が原因となって発生したことは明らかです。これは、地震による海底の隆起によって海面が隆起し、大気を上方に押し上げ、その結果大気の波が発生し高度400kmまで伝わり、その周辺のプラズマを揺り動かしていると考えられます。400kmを水平の距離にすると東京と大阪の距離ですので、東京で発生した音が空気を伝わって大阪まで届いているような伝搬距離になります。　

宇宙空間からの地球超高層大気の観測：ISS-IMAP

　このような地表付近の大気の変化が超高層大気に影響を与えることは、地震のような特別な場合ではなく、通常の状態でも起こっているのかどうかを、国際宇宙ステーションに高感度な特殊なカメラを搭載することによって観測しました。この観測はISS-IMAPミッションとして2012年から2015年まで行われました。ISS-IMAPミッションはVISIとEUVIという2つのカメラを用いて京都大学、JAXA、東北大学、東京大学、名古屋大学などが共同で実施した観測です（研究代表者：齊藤）。図2はそのうちのVISIの2015年8月2日の観測例です。このカメラはISSから下向きに地球の方向を向いて超高層大気からの微弱な発光を観測しています。この微弱な発光は大気光と呼ばれています。微弱な光なため昼間は太陽光に妨げられて見られず、ISSが地球の夜の上を通るときに観測を行いました。超高層大気の発光としてはオーロラが肉眼でも見られるためよく知られていますが、大気光は発光しているものは酸素原子などオーロラと同じものですが、励起されるエネルギー量が少ないため、発光量は微弱で、地上からは肉眼ではほとんど感知できません。その代わり、オーロラが極地域だけでしか発光しないのに対して、地球上のほぼどの地域でも発光しているため、その変化を見ることで超高層大気の変化を観測することができます。

図2の左側の図は気象衛星から赤外線で観測された雲画像で、フィリピンの東側、日本列島の南側で台風13号が発達していることが分かります。右側の図はこの台風上空を飛翔したISSからISS-IMAPのVISIで観測された波長762nmの大気光の発光です。この大気光は酸素分子から出されていて、高度95m付近で光っています。この発光の起こっている高度が少し低くなると明るく発光し、高くなると暗く発光するため、この明るさの変化は大気の上下の動きに対応していると考えられています。ちょうど台風上空で図1の高度400kmのプラズマに見られたような同心円状の構造が観測されていて、おそらく、台風による激しい大気の変動が地震後の大気の波と同様の波を作り、高度95kmまで伝わったと考えられます。この台風による構造の方が、地震による構造より波長は短く、異なる波のでき方を反映すると考えられます。実は、このような同心円状の構造はISS-IMAPの観測では多数見つかっており、地震のような特別な場合だけではなく、竜巻を起こすような突発的な減少など様々な理由で大気の波が発生し宇宙空間に向けて放出されていることが明らかになりました[参考文献 (3)]。今後はこのような変化がどこでどのように起こるか、それが超高層大気にどのような影響を与えているのか、などを明らかにしていく予定です。例えば、台風があっても図2のような変動が必ず見られるのではなく、どのような機構で地表付近の変動が宇宙空間まで届くのかはわかっていない点が多いです。

宇宙飛行士による大気光の撮像：A-IMAP

　ISS-IMAPミッションはISSから地球方向に下を向いた観測ですが、その観測だけでは、大気光の高さ方向の構造がわからないので、ISS-IMAPミッションと同時に国際宇宙ステーションの船内から宇宙飛行士にデジタルカメラで、地球のへりの大気光の様子を撮影してもらいました。これはA-IMAPキャンペーンと呼ばれる観測で、2014年から2015年にかけて10回実施されました [参考文献(4)]。図3はその一例で2014年8月26日のタイ上空から南東方向のインドネシアからオーストラリア上空を撮影したものです。地表には街明かりや漁船など多くの光がありますが、注目するのは地球のへりの暗いところから少し上にある光っている層で、これが大気光の発光層です。オレンジ色と緑色が混ざったような厚さの薄い大気光発光層が低いところにあり、その上に、画像の中央から左側にかけて幅が広い赤い層が広がっていますが、これも大気光の発光です。

　図4はこのA-IMAPキャンペーンの観測で得られた画像を繋げて動画にしたものです。大気光の発光は地球のどの地域の上空でも見られることや、その色や明るさは場所によって違っていることが分かるかと思います。地球のへりだけで光っているように見えますが、実際には、この構造は地球を取り囲む薄い膜のようになってほぼ同じ高度で光っています。そして、この膜が地表付近からきた大気の波によって激しく揺さぶられていることを私たちはISS-IMAPの観測で確認しています。このような宇宙空間からの大気光の撮影は、大気光の発光の高度がわかるだけではなく、非常に広い視野で観測ができることから、大気光の様々な現象を捉えられる強力な観測手段ですので、今後も人工衛星やISSを用いて実施していきたいと計画しています。

宇宙からみた地球の学校教育への利用：ダジック・アース

　国際宇宙ステーションは高度400kmと宇宙空間（超高層大気領域）の中でも地球に近いところを飛んでいるため、そこからは図3や図4のように、地球の一部だけしか見られず、「丸い地球」の全体を見ることはできません。そこで、宇宙から地球全体を見ているように地球や惑星のことを眺めて、理解を深めてもらうために「ダジック・アース」というプロジェクトを進めています。これは、球形のスクリーンにPCプロジェクターから地球や惑星の画像やデータを投影するもので、そのためのソフトウェアやコンテンツの開発を行なっています [参考文献(5)]。とても簡単な仕組みですが、立体的な表示によって宇宙から見ている気分を楽しむことができます。図5は秋田県由利本荘市の南由利原コスモワールドで白瀬南極探検隊記念館の協力で実施したダジック・アースの様子です。屋外に設置した直径4mの球形スクリーンに投影しています。夕方、だんだん周りが暗くなるにつれ、ダジック・アースで投影した地球や月や惑星が明るく浮かび上がってくる様相はとてもきれいでした。このような屋外での展示は実はあまり多くなく、学校の授業や科学館の展示などの室内で広く使われ始めています。

この「ダジック・アース」プロジェクトは、私たち地球惑星科学の研究者と、学校の先生や科学館の学芸員、ソフトウェアの開発者など様々な人が連携して展開しています。特に、学校の授業などで使ってもらうことで多くの人に地球・惑星の様々な姿や最新の科学成果を伝えられれば良いと考えています。ご興味がおありの方はぜひこちらをご参加ください。

参考文献

(1) Saito, A., T. Tsugawa, Y. Otsuka, M. Nishioka, T. Iyemori, M. Matsumura, S. Saito, C. H. Chen, Y. Goi, and N. Choosakul, Acoustic resonance and plasma depletion detected by GPS total electron content observation after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake, Earth Planets and Space, 63, 863-867, DOI:10.5047/eps.2011.06.034, 2011. LINK

(2) Tsugawa, T., A. Saito, Y. Otsuka, M. Nishioka, and T. Maruyama, Ionospheric disturbances detected by GPS total electron content observation after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake, Earth Planets and Space, 63, 875-879, DOI:10.5047/eps.2011.06.035, 2011. LINK

(3) Akiya, Y., A. Saito, T. Sakanoi, Y. Hozumi, A. Yamazaki, Y. Otsuka, M. Nishioka, and T. Tsugawa, First space-borne observation of the entire concentric airglow structure caused by tropospheric disturbance, Geophysical Research Letters, 41, 6943-6948, DOI: 10.1002/2014GL061403, 2014. LINK

(4) Hozumi Y., A. Saito, M. K. Ejiri, Calibration of imaging parameters for space-borne airglow photography using city light positions, Earth, Planets and Space, 68:155, DOI: 10.1186/s40623-016-0532-z, 2016. LINK

(5) 齊藤 昭則, 津川 卓也, 市川 浩樹, 島田 卓也, 多様な環境においてデジタル立体地球儀を実現するためのダジック・アースの開発, Journal of Space Science Informatics Japan, vol. 6, in press, 2017.

謝辞

図1のGEONETデータは国土地理院から提供されました。
図2の雲データは、NCEP/CPC による 4km Global IR データを利用しています。このデータの表示はTRMMプロジェクトへのサポートを通じてNOAA GPCPとNASAによる援助を受けています。また地表画像はNASAのBlue Marbleを使用しています。
ダジック・アースのシステムは、文部科学省の宇宙利用促進調整委託費(平成21-23年度)、宇宙航空科学技術推進委託費(平成25-27年度)の援助を受けて、将来の宇宙地球科学・宇宙開発に携わる人材育成を目的に開発されています。