47_Mars-4_msato

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つねたけつつの
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1 Observations of discharge phenomena in the Martian atmosphere using electromagnetic and acoustic wave detectors Mitsuteru Sato 1, Masayuki Yamamoto 2, Keigo Ishisaka 3, Yukihiro Takahashi 1, Kazunori Ogohara 4, Masashi Kamogawa 5, Hideaki Miyamoto 6, and Takumi Abe 7 1 Faculty of Science, Hokkaido University, Kita-10, Nishi-8, Kita-ku, Sapporo, Hokkaido, Japan 2 School of Systems Engineering, Kochi University of Technology, 185, Miyanokuchi, Tosayamada, Kami, Kochi, Japan 3 Faculty of Engineering, Toyama Prefectural University, 5180, Kurokawa, Imizu, Toyama, , Japan 4 School of Engineering, the University of Shiga Prefecture, 2500, Hassaka, Hikone, Shiga, Japan 5 Department of Physics, Tokyo Gakugei University, 4-1-1, Nukui-kitamachi, Koganei, Tokyo, Japan 6 University Museum, University of Tokyo, 7-3-1, Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo, Japan 7 Department of Solar System Sciences, Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Yoshinodai, Sagamihara, Chuo-ku, Kanagawa, Japan ABSTRACT Discharge phenomena can be commonly observed on the planets containing the atmosphere, such as Earth, Jupiter, and Saturn. In the Martian atmosphere, it is expected that electrical discharges are generated at the dust devils and dust storms due to the triboelectric effects of the dust grains. We are proposing the observations of the electromagnetic and acoustic waves excited by those discharges and a composite instrument package of electromagnetic and acoustic wave detectors for the Mars EDL mission. At the presentation, science scope of this observation and the detailed specifications of the instruments are introduced. This document is provided by JAXA.

2 1. サイエンススコープ Terrestrial Lightning Discharge [Takahashi, JAS, 1978] 雲内の電荷分離あられと氷晶の衝突 (H2O) 氷晶正電荷あられ負電荷雷放電電波全球雷活動のセンシングツール 1. サイエンススコープ雷電波強度温度異常鉛直対流指標雷放電雷頻度台風強度 / / / / / 01 Temp. 07 雷電波強度水蒸気量 Lightning 1969 / 01 台風水蒸気量温度異常 [Williams, 1992] Lightning Wind [Price and Asfur, 2006] [Price et al., 2009] This document is provided by JAXA.

3 1. サイエンススコープ木星の雷放電 Galileo Cassini [Dyudina et al., 2004] [Gierasch et al., 2000] Galileo New Horizons [Little et al., 1999] [Baines et al., 2007] 1. サイエンススコープ 3 889nm( 727nm( 756nm( ) ) ) 2 889nm( ) day-side continuum [Gierasch et al., 2000] 木星の雷放電を調べることは大気の鉛直対流構造対流の強さを調べることに他ならない This document is provided by JAXA.

(kv/m) 火星 Ek = 20 (kv/m) 火星は地球に比べて低圧であるため

4 1. サイエンススコープ砂粒の巻上げとダストデビルそして火星 Tribocharging Effects 粒径粒径 < <10µm 10 µm 粒径粒径 µm µm [Renno and Kok, 2008] 1. サイエンススコープ火星ダストデビルの電気的構造と絶縁破壊ダストの摩擦による電荷分離絶縁破壊電場(Ek) 地球 Ek = 6,000 (kv/m) 火星 Ek = 20 (kv/m) 火星は地球に比べて低圧であるため放電がより発生し易い有人探査に対する脅威低圧大気中の放電電波通信障害 [Farrell et al., 2004] 宇宙服へのダストの付着 This document is provided by JAXA.

5 1. サイエンススコープ理学的役割地球以外の惑星中の放電現象の理解世界初の火星表面での放電音波の観測電波音波計測によるダストデビルのリモートセンシング時刻位置規模ダストデビルの発生頻度放電強度分布 P=E H [Farrell et al., 2004] 電場磁場計測が重要, 2011 工学的役割将来の着陸探査機有人活動に対するハザード分析モーター駆動等の機械音の計測と異常状態の理解への貢献 2. サクセスクライテリア科学目標目的理学的雷放電による電磁波の検出 E, B 雷放電火星ダスト現象による音波の検出火星大気中での人工音の検出工学的放電によるハザードの推定ダストイベントによるハザードの推定火星大気中の音波意思伝達の可能性探索 [Farrell et al., 2004] (ミニマムサクセス) 火星放電の検出ダストデビル発生数の日周期変動を把握する (フルサクセス) メソ数100 km スケールでのダストデビル分布を明らかにする放電による探査機本体への危険性評価を行う (エクストラサクセス) ダストイベントのうち放電を伴う割合直径持続時間光学的厚さとの相関を明らかにする火星における隕石現象の検出

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7 " " " " 450 mmdc~10khz 400 x 400 mm10hz ~10kHz, 30 db10hz ~ 10kHz 360CO nm PD I/FI/F PD PD PD EMC EMC

8 100 kb/hour 1.6 MB/hour fc=10 khz (E z ) E z > (kv/m) E z = 10 kv/m [Farrell et al., 2004]

9 , [Cummer and Farrell, 1999]! # # (Idl) 1 1 E 4πε 0 c 2 r d[idl] dt # 10 Hz50 km DC10 khz

! 1 khz10 khz! # 10 km0.220 Pa (P-P) # 20 µpa0 dbdbspl # 0.

10 ! 1 khz10 khz! # 10 km0.220 Pa (P-P) # 20 µpa0 dbdbspl # Pa80120 dbspl1/ dbspl # 0 db20 µpa at 1 khz10 db # 100 Hz 50 km10 Hz 5000 km1 khz500 m # 10 Hz10 khz 12 km, 20 Pa, 2014

11 ISS-SLIMS MMO, ERG TRL=79 TRL=6 S PDI TRL=67 ISS-GLIMS TRL=79 TRL6 TRL=45 M. Sato (2013) TRL=45 PD or FY BBM EM FM MDR/SRR SDR PDR CDR PQR/PSR

12 WGMars 2020 AO PD EMC

13 1 EMC 100 m A:B:C:D:! A" BC" %50%cm 1200%km1/10012%km OP %100%m OP %EMCS/N 3 10%km100%m D" %EMC1000% km50%cm ABC" % %

14 2.6 kg 1.6, E-Ant. 0.1, B-Ant. 0.2, Mic. 0.1, PD 0.1, Cable x170x60, 450E-Ant., 400x400B-Ant.x2, 20x20x10x3, 50x30x30PD[mm] / / 5.4 W / 12 V / 450 [ma] [Wh/1] EMCPIEMC EMC EMC

15 ! " " " " " " "

1: DTS r 1, r 2 v ρ(x) = π(r1 2 r2) 2 dr dt 1 v x (2) t=x/v DTS [2] wt% KCl %/ 2 3 5wt% NaCl 3wt% ( ) 2 45 NaCl 300Hz 4-1.3%/ [2]

1: DTS r 1, r 2 v ρ(x) = π(r1 2 r2) 2 dr dt 1 v x (2) t=x/v DTS [2] wt% KCl %/ 2 3 5wt% NaCl 3wt% ( ) 2 45 NaCl 300Hz 4-1.3%/ [2] 5 2011 12 14 Distributed temperature sensor (DTS) technology is used widespreadly among many applications, such as temperature monitoring in plant engineering. The author has developped a novel DTS, capable