地球環境モニタリングに関する研究

１．衛星観測プロジェクト

〔担当者〕

〔目　的〕
　環境庁はオゾン層の監視，調査研究の推進を目的として人工衛星を利用した観測を行うこととし，改良型大気周縁赤外分光計ＩＬＡＳ（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｌｉｍｂ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ），地上衛星間レーザー長光路吸収用レトロリフレクターＲＩＳ（Ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｉｎ−Ｓｐａｃｅ）を開発し，宇宙開発事業団が１９９６年８月に打ち上げた，地球観測プラットフォーム技術衛星（ＡＤＥＯＳ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅａｒｔｈ Ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）に搭載した。ＡＤＥＯＳ衛星の事故により，１９９７年６月末に運用が停止されるまでの８ヵ月間，ＩＬＡＳ，ＲＩＳを用いた測定が行われた。さらに，２０００年に打ち上げが予定されている環境観測技術衛星（ＡＤＥＯＳ−II）に搭載する，ＩＬＡＳ−II の開発が，環境庁により進められている。
　当プロジェクトではこれに対して，（１）搭載機器開発にかかる科学面での支援　（２）データ処理運用のための地上システムの開発とその運用を担当している。後者は，アルゴリズム研究開発，データ処理運用システムの設計，データ利用研究計画立案等が含まれている。さらに，衛星データの取得後は，データ質の評価，検証解析，アルゴリズム改訂のための検討を行いつつ，データを用いたオゾン層監視，オゾン層変動メカニズムの研究等を行ってきた。衛星観測研究チーム，高層大気研究室，地球環境研究センター（衛星担当研究管理官）が中心となって，当プロジェクト（ＩＬＡＳプロジェクト，ＲＩＳプロジェクト，ＩＬＡＳ−II プロジェクト）を推進している。

〔内　容〕
（１）ＩＬＡＳプロジェクト
　平成９年６月末に，衛星本体側の問題で衛星運用が停止し，ＩＬＡＳについてもデータの入手が途絶えた。しかし，運用開始からの約８ヵ月間に取得された観測データは，南極オゾンホールの解消期や，北半球極周辺での春季のオゾン減少過程等にかかる非常に有用なデータを含んでいる。ＩＬＡＳプロジェクトでは，取得されたデータについて，検証データとの比較解析，データ解析アルゴリズムの改訂，データ再処理の作業を継続して続けている。平成１０年６月には，ＩＬＡＳプロダクトＶｅｒｓｉｏｎのうちオゾン，硝酸，エアロゾル消散係数（７８０ｎｍ）の３つのパラメータについて，一般公開に付した。これらについては，検証作業を終え論文の出版を待って，検証済みデータとして定義することとしている。平成１０年度のアルゴリズム改訂作業の中での重要事は，測定高度決定に際して太陽輪郭センサーデータの利用を可能にしたことである。これにより，高度情報の不確定性を低減でき，精度の向上に大きく寄与した。新しいＶｅｒｓｉｏｎのプロダクト作成に近々，取りかかる。
（２）ＲＩＳプロジェクト
　ＲＩＳプロジェクトは，ＡＤＥＯＳ衛星に搭載されたレーザーリフレクターＲＩＳを用いた地上衛星間のレーザー長光路吸収法により，大気中の微量成分の測定を目的とするものであった。ＲＩＳを用いる測定は，概念の段階から地球環境研究総合推進費により研究を行い，これに基づいて搭載機器，地上システムの開発が実施された。観測に関する研究についても推進費課題のなかで実施された。ＡＤＥＯＳ衛星の運用停止という予想されない事態によって，大気の観測を十分に行うことはできなかった。しかし，オゾンのスペクトル測定に成功し，ＲＩＳを用いた計測手法を実証し，評価することができた。ＡＤＥＯＳ運用停止後は，地上リフレクターを利用しＲＩＳ観測を補完するための実験を行った。平成１０年度は，ＲＩＳで得られたデータの解析アルゴリズムを改訂し，再解析を行うとともに，地上リフレクターによるレーザー長光路吸収法の測定誤差の再評価とフロン１２の測定感度の評価を行った。
（３）ＩＬＡＳ−II プロジェクト
　データ処理のためのアルゴリズム検討を引き続き行い，また，開発中のデータ処理運用システムの中間評価を行った。当初の基本設計策定以後の各種の進捗を考慮して，データ処理ソフトウェアの改訂作業に取りかかる。
　データ利用研究等の推進を図るため，地球環境研究総合推進費の予備的研究の一環として，研究公募に係る予備調査を実施した。これに基づき，研究グループの組織化を行った。

〔成　果〕
（１）ＩＬＡＳプロジェクト
＜データの前処理に関する研究＞
　ＩＬＡＳの測定した信号を処理するためには，観測位置を決定するための太陽輪郭センサーデータ，可視チャンネルデータ，赤外チャンネルデータを同時刻に揃えて処理を行う必要がある。実際の信号は，順番に記録され，読み出されるため，これらの間に若干のずれが生じている。これの補正を行って，それぞれの測定時刻を一致させて解析する方法に改訂した。
　また，太陽輪郭センサーの情報から観測データの高度を決定するためには，センサー視野の太陽輪郭センサーにおける正確な位置情報が必要で，これまではこの情報が曖昧であったが，機器の打ち上げ前の精密な測定情報や，検証実験データとＩＬＡＳの処理結果との比較等による検討を行い，精密な視野位置を決定して，太陽，衛星，地球の幾何学情報から観測高度を決定する方法を確定した。
　ＩＬＡＳの観測点の緯度・経度の計算方法も，太陽位置と衛星位置を計算する座標系を統一して，より精度の高い情報となるように改訂を行った。赤外チャンネル信号は，瞬時値を得るためにデータのデコンボリューション処理が必要であるが，これまで必要以上に強い平滑化を施していた部分を，理論上，より適切と思われる方法に改訂した。
＜可視チャンネルデータの処理に関する研究＞
　可視チャンネルから気温と気圧を処理する際の誤差の要因として，酸素分子の吸収パラメータの不確定性や，装置関数の推定誤差などが考えられている。これらについて本年度も研究を進めた。吸収パラメータについては，海外で新たに測定され整備されたパラメータを入手して，従来のものとの比較検討を行った。装置関数については，複数の高度で観測スペクトルと理論スペクトルが良く一致するような自動的な調整方法について研究を進めた。これらについては，中間的な成果は得られているが，今後も総合的に気温・気圧推定処理改善のための研究を進める予定である。
　また，可視エアロゾル消散係数の導出アルゴリズムとして，太陽光球の縁では輝度が低下する周縁減光の効果を計算に取り込む手法を追加した。その結果，他の衛星データと導出結果が非常に良く一致するようになった。
　さらに，可視エアロゾル消散係数の導出結果に信頼幅を示すエラーバーを算出する手法を研究開発した。これは，装置のノイズとデータの前処理における平滑化に基づくランダム誤差と，大気圏外の太陽光信号の強さを大気透過時の信号として推定する際のバイアス的な誤差，さらに気温と気圧の推定誤差が空気分子によるレイリー散乱寄与分の計算結果に及ぼす誤差を複合したエラーバーである。
＜赤外チャンネルデータの処理に関する研究＞
　赤外チャンネルのデータ処理アルゴリズムにおいて，エアロゾルによる減衰成分のほかに，太陽光球の周縁減光の効果を考慮する方法を加えた。また，これまでの導出結果に，ある気体の特定の高度で異常な段差（ギャップ）が見られていた現象の原因を追求し，同時に算出する個々の気体の高度範囲を広げ，アルゴリズムの改訂を行った。その結果，異常な段差は見られなくなった。さらに，導出はしないが吸収の影響を考慮する気体としてＣｌＯＮＯ２を加えた。その結果，主に亜酸化窒素の導出結果に改善が見られた。
　観測スペクトル解析を行う際に，理論透過率と観測透過率との間に常に差が生じている素子について，装置関数の曖昧性などが原因であるものとして，それらの素子を除去して解析を行う方法に改訂した。なお，装置関数のより正確な調整方法については，今後研究を進める予定である。
　さらに，これまで導出気体に付加するエラーバーは，収束残差に基づくもののみであったが，エアロゾル補正に起因する誤差と，使用する温度に誤差があった場合に導出結果に及ぼす影響量を推定する方法を研究開発し，エラーバー情報として提示することとした。
＜ＩＬＡＳ検証解析＞
　前年度までに実施された，ＩＬＡＳ観測に同期した検証実験のデータを収集し，データベース化を図るとともに，Ｖｅｒｓｉｏｎ３．１０及び３．４７処理アルゴリズムによるＩＬＡＳデータとの比較検討，検証解析を行った。一致の程度はＩＬＡＳ測定大気成分によって異なるという結果が得られている。概して言うと，オゾン，硝酸，エアロゾル可視消散係数については概ね良好であり，重大な問題は発見されていない。しかし，メタン，二酸化窒素については，検証実験データとＩＬＡＳデータの間に，システマティックなずれが見いだされた。亜酸化窒素，水蒸気については，よく合っているように思えるケースも存在するが，検証実験データの不足もあって，定量的な検討を今後引き続き行う必要がある。
　Ｖｅｒｓｉｏｎ３．１０から３．４７へ移行する際に，接線高度決めの不確定性が大いに改善されており，オゾン，硝酸の比較では，ＩＬＡＳデータと検証データのより良い一致が見られるようになった。これは，瞬時視野の方向を測定するサンエッジセンサーの光学特性の評価を行った結果，Ｖｅｒｓｉｏｎ３．４７からは当初予定されていた通りの幾何学的手法による接線高度決定を行えるようになったためである。
　エアロゾル・極成層圏雲等による連続吸収スペクトルの評価については，赤外分光計のエアロゾル窓チャンネルデータの利用によるＶｅｒｓｉｏｎ３．１０方式が，Ｖｅｒｓｉｏｎ３．４７でも引き続き採用されている。窓チャンネルで求めた消散係数値を直線補間して，その他のチャンネルの消散係数を推定するもので，気体濃度分布の初期値に多少依存するものの，検証解析結果としては，オゾン，硝酸，水蒸気等では，概ね良好である。赤外分光計の両端のチャンネルに吸収を持つ，ＣＦＣ１１，二酸化窒素については，エアロゾル・極成層圏雲等による連続吸収の補正にさらなる改良が必要であり，今後のアルゴリズム改訂での課題として残されている。
＜ＩＬＡＳデータ利用＞
　ＩＬＡＳデータのうち，Ｖｅｒｓｉｏｎ３．１０によるオゾン，硝酸，及びエアロゾル可視消散係数については，検証解析が一通り完了しており，科学的解析への合理性が確認されている。これらのデータを用いた科学的解析も，徐々に行われつつある。
　冬季極渦内では，低緯度からの空気塊の移流が抑制され，また太陽放射が届かなくなるため，極低温となっている。そこでは，時として極域成層圏雲（ＰＳＣｓ）が出現し，その表面ではオゾン破壊に支配的な役割を担う不均一反応が起こっている。ＩＬＡＳは，南北両半球におけるＰＳＣｓの出現を捕らえることに成功し，そのエアロゾルデータは現在詳細な解析が行われている。また，ＩＬＡＳ観測点を極渦の内，外，境界域の３つに分類し，それぞれについて解析を行ったところ，極渦内での冬〜春季にかけてのオゾン破壊の様子が，徐々に明らかとなりつつある。
　図１に，ＩＬＡＳによってオゾン濃度が観測されたある空気塊を流跡線解析で追跡した結果が得られた。１９９７年春季北極域でのオゾン濃度変動の様子を示す。こうして見積もったオゾン変化量は，ある一つの空気塊内で起こったものなので，大気の運動による変化を含まない，化学的な変化を示していると考えられる。解析の結果，１９９７年２月，３月期に高度約１８ｋｍ付近で，化学的な要因によるオゾン濃度の減少は，約０．９５ｐｐｍｖに達したと見積もられた。このオゾン濃度の減少は，１月における極渦内でのオゾン当初濃度の約４０％にまで達していることがわかった。
　Ｖｅｒｓｉｏｎ３．４７以降のＩＬＡＳデータプロダクトの検証解析及び科学的解析も，今後引き続き行われる予定である。
（２）ＲＩＳ
　ＲＩＳを用いた観測実験ではオゾンの数例のスペクトルデータが得られた。これらのデータについて，解析アルゴリズムを改良して再度解析を行った。解析アルゴリズムの主な改良点は，ＲＩＳからの反射光のパルス波形からエネルギーを求める際の波形の飽和の取り扱いである。この改良によりオゾンのスペクトル導出の誤差が低減された。
　一方，ＲＩＳ実験により地上衛星間レーザー長光路吸収に基づく計測手法が実証されたが，ＡＤＥＯＳの運用停止のためにすべての項目について観測実験を行うことはできなかった。そこで，ＲＩＳ地上システムと地上リフレクターを用いてＲＩＳ実験を補完するための評価実験を実施した。評価実験の主な目的は，ＲＩＳを用いた測定と地上リフレクタの場合の測定誤差の違いを明確にすることによってパルスレーザーを用いた地上衛星間長光路吸収法の誤差要因を特定すること，さらに測定限界を評価することである。
　実験では，約４ｋｍ離れた鉄塔上に口径３ｃｍのレトロリフレクター設置し，種々の条件下で長光路差分吸収測定の１ショット当たりのＳ／Ｎ比を評価した。測定誤差にはレーザーパワーに比例するものとレーザーパワーに依存しないものがある。前者はレーザーのビームパタンの変化やビームの揺らぎ，大気揺らぎによるもので，後者は検出器雑音などである。実験の結果，レーザーパワーに比例する誤差が顕著であること，また，得られるＳ／Ｎ比（二波長のパルスエネルギーの比に対するＳ／Ｎ比）は１ショット当たり１５程度が限界であることが示された。これは，依然としてレーザーのビームパタンの問題が残っていることを示している。一方，大気揺らぎ等についてはＲＩＳの場合と地上リフレクターで本質的に差はみられなかった。以上のことから，２波長のビームパタンの違いがパルスレーザーを用いた長光路吸収法に共通する問題であることがわかった。
　現状のシステムにおいて地上リフレクターによるフロン１２の測定感度の評価を行った結果，３分間の測定で往復８ｋｍの光路のフロン１２が１０ｐｐｔの感度で測定できることが示された。これらの結果から，ＡＤＥＯＳが運用停止とならなかった場合，ＲＩＳを用いてオゾン以外についてもほぼ計画通りの結果が得られたものと考えられる。地上評価実験の結果より，さらにＳ／Ｎ比を改善するためにはレーザーの繰り返しを上げて時間当たりの積算回数を増やすことが有効であると結論される。ＲＩＳの成果は，静止軌道衛星を用いたレーザー長光路吸収による大気微量分子測定システムの開発などにつながるものと期待される。
　以下に，ＲＩＳプロジェクトで得られた主な成果をまとめる。
(1)ＲＩＳ搭載システムの実証
　ＲＩＳの反射光と恒星の明るさとの比較により，ＲＩＳの反射効率が設計値とよく一致することを確認した。さらに，赤外レーザーを用いて赤外領域の反射効率が設計値と一致することを確認した。また，これによって球面を含むレトロリフレクターの設計技術を実証した。
(2)低軌道衛星の光能動追尾技術の確立
　ＲＩＳの反射光を画像としてとらえて能動的に追尾する技術を確立した。昼夜ともに追尾精度０．０３ｍｒａｄを得た。
(3)地上衛星間レーザー長光路吸収による計測技術の実証
　炭酸ガスレーザーを用いてＲＩＳによるオゾンの測定を行い，衛星の進行に伴う反射光のドップラーシフトを利用して，地上衛星間レーザー長光路吸収による世界初のスペクトル測定に成功した。また，このスペクトルよりオゾンのカラム量を求めた。得られたカラム量はヘテロダイン分光計およびＴＯＭＳの結果とよく一致した。これによってＲＩＳによる計測技術を実証した。
(4)ＲＩＳ測定の誤差の解析とシステムの改良
　測定データの誤差解析を行い，誤差要因を特定した。主要な誤差は，２台の炭酸ガスレーザーのビームパタンの違いであることが判明し，送信光学系を改良した。また，周波数解析等により追尾系の誤差を改良した。受信信号強度の比におけるＳＮ比として，１ショット当たり１０を達成した。
(5)レーザー測距によるＡＤＥＯＳの軌道予報の改良
　世界の約１５のレーザー測距局の協力を得て，ＲＩＳを利用したＡＤＥＯＳのレーザー測距を行い，ＮＡＳＤＡつくば中央追跡管制センターにおいてレーザー測距データを用いた軌道予報の研究が行われた。この結果，レーザー測距により従来の軌道決定精度に比べて一桁高い精度が得られた。
(6)地上リフレクターによる測定感度の評価
　地上リフレクターを用いたレーザー長光路吸収測定によりフロン１２の測定感度の評価を行い，３分間の測定で往復８ｋｍの光路のフロン１２が１０ｐｐｔの感度で測定できることが示された。
（３）ＩＬＡＳ−II
　ＩＬＡＳII は平成１２年度の衛星打ち上げを前に，データ処理運用システムで使用するための導出アルゴリズムの最終的な開発研究を行った。今後は，これらのアルゴリズムの改訂研究に移行する。
　研究としては，主に「ＩＬＡＳ−II 信号から算出可能なエアロゾル特性の検討」と「ガス濃度・エアロゾル同時算出の検討」を行った。ＩＬＡＳ−II では，ＩＬＡＳに搭載された二つのチャンネルのほかに，３〜５．７μｍの短波長赤外チャンネルと１２μｍ帯のＣｌＯＮＯ２用の測定チャンネルが加わっている。短波長赤外チャンネルと従来の６〜１２μｍの赤外チャンネルとの信号を合わせて解析することにより，エアロゾル特性に関する情報がより詳細に得られる。これらの信号から，エアロゾルの種別判定，硫酸濃度の算出，粒径分布の中心半径算出，粒子個数密度の算出などの手法とそれらの導出精度について検討を行った。
　また，ガス濃度・エアロゾル同時算出の検討の結果，ＰＳＣが発生している場合には，スペクトル減衰量に比較的大きなオフセットが残るものの，これらが検出されることが確認された。また，硫酸タイプのエアロゾルの場合には導出が比較的良好であることが明らかとなった。
　なお，計算機システムについては導入を完了し，宇宙開発事業団との間のデータの送受信回線の開設と試験を除いて，データ処理の準備を完了した。今後は，本システム上で，本稼働試験を行い，実データの処理に備える予定である。
〔発　表〕Ｋ−２０，Ａ−１４， １６〜２７， ３６， ３７， ４１〜４８， Ｆ−５〜９， １１〜１５， １９， ２６， Ｉ−９〜１１， ａ−２２〜２７， ２９〜３７， ４１〜４９， ｆ−１２〜２５， ３６， ３７， ｉ−１９〜２６