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ひさともありたけ
5 years ago
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1 69 June 2018 JAXA 宇宙と地上から温室効果ガスを捉える太陽光による高精度観測への挑戦

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69 June 2018 地球温暖化の現状把握と対策のために人工衛星と地上から太陽光を捉えることで初めて全球規模で温室効果ガスの高精度な観測を実現しました温室効果ガスの観測は採取した大気の直接測定により行われてきました直接測定は高精度な反面全球を網羅することは困難でしたその後物質が吸収する光の波長ごとの特性を利用して離れた場所から物質の特徴を把握する

3 69 June 2018 地球温暖化の現状把握と対策のために人工衛星と地上から太陽光を捉えることで初めて全球規模で温室効果ガスの高精度な観測を実現しました温室効果ガスの観測は採取した大気の直接測定により行われてきました直接測定は高精度な反面全球を網羅することは困難でしたその後物質が吸収する光の波長ごとの特性を利用して離れた場所から物質の特徴を把握する分光リモートセンシング技術の進展により直接測定に迫る精度で全球規模の観測が実現しましたこの方法では人工衛星に観測装置を搭載し地球大気を通過する太陽光を観測します国立環境研究所は宇宙航空研究開発機構環境省と人工衛星分光リモートセンシングによる温室効果ガス観測プロジェクトを進めています 2009 年に打ち上げられた日本の人工衛星いぶきは 9 年を経た現在も観測を続けており温室効果ガス観測を主目的とする人工衛星の現役としては最長期間の記録を誇っています温室効果ガス観測の高精度化によりいぶきの研究利用が進み後継機であるいぶき 2 号の打ち上げも迫っていますこのプロジェクトでは私たちは人工衛星が観測した太陽光スペクトルから温室効果ガス濃度やその排出量の分布を推定する高次処理と推定結果の検証を担当しています温室効果ガス濃度の推定には誤差要因に対応できる高度な解析手法の開発が必要でしたまたいぶきの開発と同時期に太陽光スペクトルから温室効果ガス濃度を推定する地上観測網ができたことはデータの精度の検証に重要な役割を果たしました本号では分光リモートセンシングによる温室効果ガスの観測について紹介します宇宙と地上から温室効果ガスを捉える太陽光による高精度観測への挑戦 Interview 研究者に聞く宇宙から温室効果ガスを観測する p4 9 Summary 分光リモートセンシングによる温室効果ガス p 観測の高精度化への挑戦研究をめぐって分光リモートセンシングによる p 温室効果ガスの観測国立環境研究所における温室効果ガスの分光リモートセンシングに関する研究 p 14 のあゆみ表紙いぶき右上とその観測データの一例 3

4 nterview 研究者に聞く宇宙から温室効果ガスを観測する GOSAT : Greenhouse gases Observing SATellite 2009 GOSAT Q 森野 GOSAT 吉田 Q 森野 FTS FTS 1970 FTS 1 2 a cos b 2 2 c FTS 4

5 Q 吉田 666km , ,300 森野 FTS 1 Q 吉田 JAXA 図 1 マイケルソン干渉計 ( イメージ ) 2 図 2 光源スペクトルと干渉計からの干渉光の関係 a b 2 c 5

Q 森野吉田 FTS Q 森野 FTS TCCON 4 Q 森野 1997 Q 吉田 2009 1 23 JAXA 2

6 Q 森野吉田 FTS Q 森野 FTS TCCON 4 Q 森野 1997 Q 吉田 JAXA 2 Q 吉田 % 78.1% 20.9% 0.9% 0.04% 0.003% 図 3 カラム量のイメージ 6

図 4 2012 年 5 月 19 日にいぶきが日本上空を通過した際に観測されたデータ左いぶきに搭載された雲エアロソルセンサ CAI Cloud and Aerosol Imager の各波長帯バンドの画像白色に近いほど光の強度が強いことを表し雲エアロゾル気体分子による散乱や地表面による反射が強いことを表す赤色で FTS の観測点実際の FTS 視野サイズ

7 図年 5 月 19 日にいぶきが日本上空を通過した際に観測されたデータ左いぶきに搭載された雲エアロソルセンサ CAI Cloud and Aerosol Imager の各波長帯バンドの画像白色に近いほど光の強度が強いことを表し雲エアロゾル気体分子による散乱や地表面による反射が強いことを表す赤色で FTS の観測点実際の FTS 視野サイズ ~ 直径 10km に対応を示すいぶきは北から南へ通過し FTS はポインティング機構により観測点を衛星直下の前後左右に動かしながら赤線で繋いだ順に観測を行った右つくば市周辺左図矢印で FTS により観測されたスペクトル Band 3 の 5,100~5,200 cm-1 付近の水蒸気の強い吸収を利用して高い雲を検出するなることが地上観測で示されていましたが衛星からもそのシグナルをとらえることができました Q 解析の精度はどうでしたか森野解析結果を検証してみると誤差が 4 ほどありました分光リモートセンシングのデータは大きい場合 10 ぐらいパコンが使えるようになると色々な検討が短期間でで誤差があるのが普通なので分光リモートセンシングきるようになりだいぶ目標に近づくことができましの精度としては悪くありませんでもこのプロジェた誤差を減らすなど解析法の改良は今でも続いてクトでは最初から誤差を 1 以下にするのが目標でしいますたので達成するためにアルゴリズムの改良が続きましたそのために吉田さんがかなり苦労しましたねいぶきの長期運用を実現吉田精度を向上させるために手を替え品を替え Q 検証はどのように進めてきましたか色々なことをやってみましたしばらくして専用のス森野吉田さんが計算した結果が正しいかどうかを確コラム❸ いぶきの観測手法についていぶきは大気中の温室効果ガスの吸収による光の減衰を類があり地域によって卓越する種類や存在高度も違えば測定していますこの減衰の度合いは温室効果ガスのカ種類や粒子の大きさの違いによって光を散乱する特性も変ラム量だけでなく太陽光が差し込む方向や衛星が観測すわりますエアロゾルの影響を低減するにはできる限りる方向によって光がたどる大気中の道程が変化することで現実に近いエアロゾル情報を用いることが近道になりまも変わります加えて大気中には雲やエアロゾルなどのすそこで FTS の観測点にどんな種類のエアロゾルが地表面を覆い隠したり光の進む方向を変えたりする妨害存在していたかについてはエアロゾル輸送モデルの計算物質が多く存在しています結果を利用しどれだけの量のエアロゾルが存在していたこのような妨害物質の影響を適切に取り除き温室効果かについては温室効果ガスのカラム量と同時に推定するガスのカラム量を精度よく推定するための手法はいまのとというアプローチを取っていますしかしながらモデルころ確立していませんそのため世界中の研究者が精力による計算結果や同時推定結果が必ずしも現実に近いとは的に手法を研究しています国立環境研究所では以下の限りませんような手法を用いています現実とのズレに起因する温室効果ガスのカラム量の誤差カラム量を観測するためにはまずは FTS の視野内にはエアロゾルの量が多いほど顕著になることから同時推雲が含まれるデータを除外します一方エアロゾルはど定されたエアロゾルの量がある閾値いきちを超えた場こにでも存在するため雲のようにエアロゾルのない場所合には推定された温室効果ガスのカラム量の正しさは保を探すことはできませんエアロゾルといっても色々な種証されないものとして解析結果を棄却しています 7

8 Q 森野 GOSAT TCCON 2004 Q 吉田 1 図 5 TCCON の観測網 ( 出典 : 5 5 Q 森野 Total Carbon Column Observing Network: TCCON FTS OCO-2 TanSat TCCON TCCON 2004 Park Falls FTS 25 5 TCCON *1 TCCON TCCON FTS FTS 2 Burgos TCCON

森野ひとつの人工衛星でこんなに長く観測が続くとは思いませんでしたその間には色々なことがありましたがこの 9 年間で衛星観測によって精度の高いデータが出せることを実証できたのは良かったと思いますいぶきのあとアメリカ中国ヨーロッパでも同じような衛星が打ち上げられていますが私たちの実績は他の国の衛星による観測に貢献していますまた地上における観測網もどんどん広がり特

9 森野ひとつの人工衛星でこんなに長く観測が続くとは思いませんでしたその間には色々なことがありましたがこの 9 年間で衛星観測によって精度の高いデータが出せることを実証できたのは良かったと思いますいぶきのあとアメリカ中国ヨーロッパでも同じような衛星が打ち上げられていますが私たちの実績は他の国の衛星による観測に貢献していますまた地上における観測網もどんどん広がり特にアジアの地上観測データの拡充に貢献することができました TCCON では東南アジア初の観測地点としてフィリピンにいぶき 2 号の検証活動の一環として観測装置などが設置され国立環境研究所と現地などの関係機関の協力により観測が始まっています 2017 年には世界で初めていぶきの観測データを使って地球全体のメタン濃度の変動を示すことができましたメタン濃度は北半球では冬に高く夏に低部品がこわれてももう一方の部品で補えるようにいという季節変動をしながら年々上昇していることがなっています明らかになりました吉田定常運用が終了した 2014 年から翌年にかけて吉田 2018 年度にはいぶき 2 号の打ち上げが計画も次々に異常が出ました検出器を冷却する冷凍機がされていますこれまでの経験を踏まえてより精度を停止するトラブルもありましたこのときはなかなか向上させたいと思っています加えてさらなる後継機トラブルの原因が特定できず宇宙放射線による一時も検討されているのでこれまでのノウハウをいかし的な誤作動の可能性が高いという結論になり再起動て測定をよりよいものにしたいと思いますしたら問題なく動き始めました何度もこれで終わり森野こうした成果は多くの人との協力があったからかと思いましたがなんとか現在まで観測が続いていこそです海外との協力体制も時間をかけ研究者とます交流を深めたおかげで築けたものですこうした協力いぶき 2 号へ Q これまでを振り返ってみるといかがですか体制も次の世代に引き継いでいかなければならないと思っています地球温暖化の問題の解決に貢献するようこれからも色々なことをやっていきたいです 50N Eq. 400 CO 2 (ppm) S N Eq. CO (ppb) 50 50S 50N Eq. 100 CH 4 (ppm) 50S 図 6 TCCON で取得された二酸化炭素一酸化炭素メタンのカラム平均濃度縦軸は緯度横軸は観測年色がついているところがそれぞれの緯度と年に観測が行われた地点右の色はそれぞれのカラム平均濃度単位は二酸化炭素とメタンは ppm 100 万分の 1 一酸化炭素は ppb １0 億分の 1 北半球の一酸化炭素カラム平均濃度は南半球より濃度が高く季節変動がハッキリしていますメタンカラム平均濃度は赤道域や北半球の濃度が高く季節変動しながら増加していることが分かります 9

10 Summary 分光リモートセンシングによる温室効果ガス観測の高精度化への挑戦 4 10 B XCO 2 15ppm ppm= XCO 2 9ppm 4ppm ppm XCO 2 2A GOSAT 図 7 重点検証観測の概念図 TCCON FTS FTS 10

11 図 8 TCCON データを用いた検証結果 XCO 2 TCCON XCO 2 2 Ver TCCON ppm 2ppm 2km XCO 2 FTS Light Detection and Ranging 2ppm 2ppm 1 TANSO Thermal And Near-infrared Sensor for carbon Observation -FTS 1 TANSO-FTS 7 FTS 3 1 TCCON XCO ppm TCCON SPRINTARS XCO ppm TCCON 8 2A

分光リモートセンシングによる温室効果ガスの観測 FTS GOSAT TCCON 世界では GHGSat-D 2016 2009 1 23 9 8 2 ESA 2002 2012 Envisat SCIAMACHY 2002 3 10 20 TCCON TCCON ACOS SRON KIT Bremen Leicester TanSat OCO-2 2014 TanSat 2016 FY-3D

12 分光リモートセンシングによる温室効果ガスの観測 FTS GOSAT TCCON 世界では GHGSat-D ESA Envisat SCIAMACHY TCCON TCCON ACOS SRON KIT Bremen Leicester TanSat OCO TanSat 2016 FY-3D 2017 GF TROPOMI / Sentinel-5P ISS OCO-3 MicroCarb MERLIN GeoCARB 1 TCCON TCCON 表 1 温室効果ガスカラム平均濃度観測衛星一覧表 / SCIAMACHY/ENVISAT ESA TANSO-FTS/GOSAT TCCON OCO GHGSat-D/CLAIRE GHGSat CAS/TanSat TROPOMI/Sentinel-5P ESA GAS/FY-3D GMI/GF TANSO-FTS-2/GOSAT OCO MicroCarb MERLIN GeoCARB GOSAT JAXA 図 9 GOSAT-2( 愛称いぶき 2 号 ) 12

TCCON FTS COCCON TCCON 20 FTS TCCON 日本では 2 GOSAT JAXA 2018 9 FTS CAI PM 2.

) ACOS: Atmospheric CO2 Observations from Space COCCON: Collaborative Carbon Column Observing Network Envisat: Environmental Satellite FY-3D: Feng-Yun 3D GHGSat-D: Greenhouse Gas Satellite -

13 TCCON FTS COCCON TCCON 20 FTS TCCON 日本では 2 GOSAT JAXA FTS CAI PM 2.5 JAXA JAXA TCCON JAXA COCCON FTS OSA 国立環境研究所では TCCON 図 10 TCCON 観測地点の様子 ( つくばの国立環境研究所 ) FTS 2 2 JAXA TCCON TCCON 2 Wollongong Burgos TCCON OCO-2 COCCON FTS JAXA KIT TCCON FTS ( 略語解説 ) ACOS: Atmospheric CO2 Observations from Space COCCON: Collaborative Carbon Column Observing Network Envisat: Environmental Satellite FY-3D: Feng-Yun 3D GHGSat-D: Greenhouse Gas Satellite - Demonstrator KIT: Karlsruhe Institute of Technology MERLIN: MEthane Remote Sensing LIdar MissioN OCO-2: Orbiting Carbon Observatory-2 SCIAMACHY: SC anning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CHartographY SRON: Netherlands Institute for Space Research TROPOMI: TROPOspheric Monitoring Instrument 13

14 国立環境研究所における温室効果ガスの分光リモートセンシングに関する研究のあゆみ GOSAT 年度課題名 1 GOSAT 2 4 GOSAT GOSAT Oshchepkov Sergey Dupuy Eric Desbiens Raphaël Tran Thi Ngoc Trieu Bril Andrey Maksyutov Shamil : : : : California Institute of Technology : Roehl Coleen M. Wennberg Paul O. Finnish Meteorological Institute : Heikkinen Pauli Kivi Rigel Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics : Kurucz Robert Karlsruhe Institute of Technology : Blumenstock Thomas Hase Frank Kiel Matthäus Rettinger Markus Sussman Ralf Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques, Université Paris Est Créteil et Université Paris Diderot : Tran Ha Los Alamos National Laboratory Dubey Manvendra K. Max Planck Institute for Biogeochemistry : Arnold Sabrina G. Feist Dietrich G. NASA Ames Research Center : Iraci Laura NASA Jet Propulsion Laboratory : Toon Geoffrey C. National Institute of Water and Atmospheric Research Ltd : Pollard Dave F. Robinson John National Institute of Meteorological Research : GOO Tae-Young Royal Belgian Institute for Space Aeronomy : de Maziére Martine Sha Mahesh K. University of Bremen : Notholt Justus Petri Christof Warneke Thorsten Université Pierre-et-Marie-Curie : Té Yao University of Wollongong : Deutscher Nicholas M. Griffith David W. T. Velazco Voltaire A. University of Toronto : Strong Kimberly Mendonca Joseph Wunch Debra 14

15 No No.51 JAL 8 CO 2 CO 2 CO 2 CONTRAIL No.41 GOSAT GOSAT No ADEOS ADEOS ILAS No WG pub@nies.go.jp

16 環境儀既刊の紹介 No 年 10 月ナノ粒子ナノマテリアルの生体への影響分子サイズにまで小さくなった超微小粒子と生体との反応 No 年 4 月 21 世紀の廃棄物最終処分場高規格最終処分システムの研究 No 年 1 月化学物質の形から毒性を予測する計算化学によるアプローチ No 年 7 月環境知覚研究の勧め好ましい環境をめざして No 年 4 月環境スペシメンバンキング環境の今を封じ込め未来に伝えるバトンリレー No 年 10 月成層圏オゾン層の行方 3 次元化学モデルで見るオゾン層回復予測 No 年 7 月東日本大震災環境研究者はいかに取り組むか No 年 1 月アレルギー性疾患への環境化学物質の影響 No 年 10 月環境多媒体モデル大気水土壌をめぐる有害化学物質の可視化 No 年 4 月森の息づかいを測る森林生態系の CO2 フラックス観測研究 No 年 1 月旅客機を使って大気を測る国際線で世界をカバー No 年 7 月ライダーネットワークの展開東アジア地域のエアロゾルの挙動解明を目指して No 年 4 月アオコの有毒物質を探る構造解析と分析法の開発 No 年 10 月河川生態系への人為的影響に関する評価よりよい流域環境を未来に残す No 年 6 月サンゴ礁の過去現在未来環境変化との関わりから保全へ No 年 1 月有害廃棄物の処理アスベスト PCB 処理の一翼を担う分析研究 No 年 9 月環境と人々の健康との関わりを探る環境疫学 No 年 4 月熱中症の原因を探る救急搬送データから見るその実態と将来予測 No 年 12 月未来につながる都市であるために資源とエネルギーを有効利用するしくみ No 年 7 月越境大気汚染の日本への影響光化学オキシダント増加の謎 No 年 3 月大気環境中の化学物質の健康リスク評価実験研究を環境行政につなげる No 年 3 月セイリング型洋上風力発電システム構想海を旅するウィンドファーム No 年 6 月使用済み電気製品の国際資源循環日本とアジアで目指す E-waste の適正管理 No 年 1 月環境負荷を低減する産業生活排水の処理システム低濃度有機性排水処理の省創エネ化 No 年 9 月被災地の環境再生をめざして放射性物質による環境汚染からの回復研究 No 年 4 月日本低炭素社会シナリオ研究 2050 年温室効果ガス 70 削減への道筋 No 年 12 月未来に続く健康を守るために環境化学物質の継世代影響とエピジェネティクス No 年 7 月科学の目で見る生物多様性空の目とミクロの目 No 年 3 月災害からの復興が未来の環境創造につながるまちづくりを目指して福島発の社会システムイノベーション No 年 10 月バイオアッセイによって環境をはかる持続可能な生態系を目指して適応で拓く新時代気候変動による影響 No 年 6 月に備えるシリカ欠損仮説と海域生態系の変質フェリー No 年 1 月を利用してそれらの因果関係を探る No 年 9 月地球環境 100 年モニタリング波照間と落石岬での大気質監視 VOC と地球環境大気中揮発性有機化合物の実態解明を目指して世界の屋根から地球温暖化を探る青海 No 年 12 月チベット草原の炭素収支 No 年 7 月宇宙から地球の息吹を探る炭素循環の解明を目指して No 年 3 月 PM2.5 の観測とシミュレーション天気予報のように信頼できる予測を目指して No 年 10 月環境研究 for Asia/in Asia/with Asia 持続可能なアジアに向けて No 年 6 月化学物質の正確なヒト健康への影響評価を目指して新しい発達神経毒性試験法の開発 No 年 1 月藻類の系統保存微細藻類と絶滅が危惧される藻類 No 年 9 月土壌は温暖化を加速するのかアジアの森林土壌が握る膨大な炭素の将来 No 年 4 月 vitro バイオアッセイ試験管内生命で環境汚染を視る環境毒性の in No 年 12 月遺伝子から植物のストレスにせまるオゾンに対する植物の応答機構の解明 No 年 7 月干潟の生き物のはたらきを探る浅海域の環境変動が生物に及ぼす影響 No 年 3 月スモッグの正体を追いかける VOC からエアロゾルまで環境儀のバックナンバーは国立環境研究所のホームページでご覧になれます環境儀地球儀が地球上の自分の位置を知るための道具であるように環境儀という命名にはわれわれを取り巻く多様な環境問題の中でわれわれは今どこに位置するのかどこに向かおうとしているのかそれを明確に指し示すしるべとしたいという意図が込められています環境儀に正確な地図行路を書き込んでいくことが環境研究に携わる者の任務であると考えています 2001 年 7 月合志陽一環境儀第 1 号発刊に当たってより抜粋このロゴマークは国立環境研究所の英語文字 N.I.E.S で構成されています N= 波大気と水 I= 木生命 E S で構成されるで地球世界を表現していますロゴマーク全体が風を切って左側に進もうとする動きは研究所の躍動性進歩向上発展を表現しています国立環境研究所 No 年 3 月国立研究開発法人地球規模の海洋汚染観測と実態 69 June 2018 No 年 1 月

GOSAT (JAXA) JAXA NASA, ESA JAXA 1

GOSAT (JAXA) JAXA NASA, ESA JAXA 1 27 271119 (GOSATGOSAT-2 Greenhouse gases Observing SATellite (GOSAT) JAXA Mitsubishi Electric Corporation 0 GOSAT (JAXA) 2005.8.1 JAXA NASA, ESA JAXA 1 2 2 GOSAT JAXA JAXA (NASA, ESA) JAXA GOSAT NIES 2