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 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 10 11 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 12 13 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
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
Q 吉田 666km 100 3 30,000 700 1,300 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 Q 吉田 4 5 1 3 0.5% 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 ~ 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
Q 森野 GOSAT TCCON 2004 Q 吉田 1 図 5 TCCON の観測網 ( 出典 :https://tccondata.org) 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 2017 3 1 https://tccon-wiki.caltech.edu/ 8
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) 380 50S 150 50N Eq. CO (ppb) 50 50S 50N Eq. 100 CH 4 (ppm) 50S 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 1.8 1.6 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 https://tccon-wiki.caltech.edu/ 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
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-2 2004 2006 XCO 2 15ppm ppm=100 1 2010 2 0 XCO 2 9ppm 4ppm 1 2010 8 2ppm XCO 2 2A-1102 2011 2013 GOSAT 図 7 重点検証観測の概念図 TCCON FTS FTS 10
図 8 TCCON データを用いた検証結果 XCO 2 TCCON XCO 2 2 Ver.02.72 TCCON 2 2013 1 2014 5-2 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 2 10.99 3.83ppm TCCON SPRINTARS XCO 2 +0.17 1.49ppm 2 2 02.72 TCCON 8 2A-1102 11
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 2017 GF-5 2018 TROPOMI / Sentinel-5P 2017 7 ISS OCO-3 MicroCarb MERLIN GeoCARB 1 TCCON 25 4 5 10 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 2002-2012 TANSO-FTS/GOSAT 2009 - TCCON OCO-2 2014 - GHGSat-D/CLAIRE GHGSat 2016 - CAS/TanSat 2016 - TROPOMI/Sentinel-5P ESA 2017 - GAS/FY-3D 2017 - GMI/GF-5 2018 - TANSO-FTS-2/GOSAT-2 2018 - OCO-3 2019- MicroCarb 2020 - MERLIN 2021 - GeoCARB 2022 - GOSAT-3 2022 - 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 2.5 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 2017 3 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
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 2003 2008 2004 2006 2006 2010 2006 2015 2008 2018 2009 2013 課題名 1 GOSAT 2 4 GOSAT 3 2011 2013 1 2011 2015 2014 2018 2015 2017 2016 2020 2016 2020 GOSAT 2 5 2 4 1 2 3 4 5 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
No.62 100 1995 No.51 JAL 8 CO 2 CO 2 CO 2 CONTRAIL No.41 GOSAT GOSAT No.10 1996 ADEOS ADEOS ILAS No.69 2018 6 29 WG 305-8506 16-2 pub@nies.go.jp
環 境 儀 既 刊 の 紹 介 No.46 2012 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.24 2007 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.47 2013 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.25 2007 年 7 月 環境知覚研究の勧め 好ましい環境をめざして No.48 2013 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.26 2007 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.49 2013 年 7 月 東日本大震災 環境研究者はいかに取り組むか No.27 2008 年 1 月 アレルギー性疾患への環境化学物質の影響 No.50 2013 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.28 2008 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.51 2014 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.29 2008 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.52 2014 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.30 2008 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.53 2014 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.31 2009 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.54 2014 年 9 月 環境と人々の健康との関わりを探る 環境疫学 No.32 2009 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.55 2014 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.33 2009 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.56 2015 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.34 2010 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.57 2015 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.35 2010 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.58 2015 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.36 2010 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.59 2015 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.37 2010 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.60 2016 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.38 2010 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.61 2016 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.39 2011 年 1 月 を利用してそれらの因果関係を探る No.62 2016 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.63 2016 年 12 月 チベット草原の炭素収支 No.41 2011 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.64 2017 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.42 2011 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.65 2017 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.43 2012 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.66 2017 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.44 2012 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.67 2017 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.45 2012 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.68 2018 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 http://www.nies.go.jp/kanko/kankyogi/index.html 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.40 2011 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.23 2007 年 1 月