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上空を3次元モニターする地上の巨大施設が始動

日本も参加する欧州国際プロジェクト、中国の後塵は拝したくない

山内正敏 地球太陽系科学者、スウェーデン国立スペース物理研究所研究員

 次世代電離層レーダーとして世界最先端の技術と100億円以上の建設費をつぎ込むEISCAT_3D(欧州非共鳴散乱レーダー3次元型)の起工式が、9月7日に行なわれた。高度10km程度から500km以上までの上空を3つの異なる角度から立体的に調べるレーダー施設で、30年以上も前から稼働してきたパラボナアンテナ式の立体観測システム「EISCAT」を更新するものだ。

世界随一の科学レーダー施設

拡大【図】現行のEISCATアンテナ群と、その観測領域。今回更新される3つのパラボラアンテナは、立体観測に使われてきた。更新後は、この機能がさらに充実する
 EISCATは「欧州」という名前がついているものの、実は日本や中国、ロシアも参加している、レーダーとしては世界最大の国際プロジェクトであり、日本の国家レベルの2014年大型インフラ計画にも選定されている。しかし、国の2017年大型インフラ計画から漏れてしまったので、「3D」での日本の立場が弱くなるのではないかと心配している。そこで、本稿では「3D」の概要や価値、日本が参加する意義を簡単に述べたい。

 EISCAT_3Dはノルウェー・スウェーデン・フィンランドの北極圏内の各拠点に約1万本ずつ、シンプルなアンテナをマルチアレイ方式で並べて、電離層を中心に下は成層圏から上は外気圏まで広範な高度範囲の大気を調べるレーダー施設だ。電離層最上部に位置する外気圏は、空気を構成する分子・原子が宇宙に向かって蒸発しており、いわば大気の表面から一歩真空に踏み出した場所にあたる。

 3地点からの観測で、電離層を立体的に調べられるのだが、それが「3D」を冠する理由ではない。それは既にパラボラアンテナを使った現行のEISCATで、図のように実現しているからだ。そして、それだけでも実は世界唯一の施設なのである。

空間全体を瞬時に観測

 そもそも、電離層を含む超高層大気観測のための大型レーダーは世界にそれほど多くなく、オーロラ現象などユニークな活動の盛んな北緯60-70度の「オーロラ帯」上空を調べる施設となると、EISCAT以外では2カ所しかない。それを3点立体観測で調べてきたのだから、欧州を超えた国際プロジェクトになるのは当然だろう。その先陣を切ったのが20年前から正式メンバーとして参加している日本だ。中国も日本に遅れて正式メンバーとなった。ロシアも協賛メンバーとして参加している。

 ちなみに日本と中国は、参加に当たって、観測の空白地域だった北緯78度の島にEISCATの4個目と5個目のパラポラアンテナをそれぞれ建造している。そこでは、普通のオーロラの代わりに特別なオーロラのみが出る。これらのアンテナは、今回の更新では手を付けず、今まで通りに運用する。ターンスタイル・アンテナに置き換えるのは、より低緯度の北緯68-69度に位置する本土内の初代アンテナ群だ。

拡大EISCAT_3Dの基本ユニットとなるアンテナ群(91本)の試験サイト。これをさらに蜂の巣のように109個並べる=Craig Heinselman博士提供
 更新の目玉は「3D」、つまり空間全体の観測にある。そのためにマルチアレイ方式を採用した。その際に使うのが八木・宇田アンテナの変形であるターンスタイル・アンテナだ。これは軸の先端から4つの方向に金属棒を突き出すだけシンプルなデザインの固定アンテナ(左の写真)で、長さが定められていることから、人工的に作り出す特定の波長だけを受信するには最も効率的な方式となる。しかも、シンプルといえども受信機込みの感度は年々向上している。

拡大現行のパラボラアンテナ=スウェーデン・キルナ市、Lars-Göran Vanhainen氏提供。
 最新型のアンテナだから、上の写真のように約100本程度並べただけで、直径32mの現行パラボラアンテナに匹敵・凌駕する感度が得られるのである。それが約1万本ということは、パラボラ約50-100個分に相当し、それだけ異なる方向を同時に観測できることを意味する。第一期工事で3カ所、将来的には本土内に2カ所追加する予定だ。当然、情報量は膨大なものとなるが、それでも現代のコンピューター処理能力だと時間分解能0.1秒(動画の領域)が達成できるのである。まさに3Dの名前に相応しい、空間全体の「電波のモニター施設」だ。

地球温暖化の予測にも貢献

 3次元の動画的モニターはある意味全ての地球科学の夢である。例えば豪雨があった時に、その豪雨を起こした雲が前線に沿って移動してきたのか、それとも入道雲のようにその場で発達したのか、あるいは移動の際に急速に発達してきたのか、豪雨のあった場所だけを調べてもわからない。純粋な時間変化と「空間構造の移動」を判別するには3次元の同時把握が不可欠だ。EISCAT_3Dでは、地表付近の状態の代わりに、上空大気の状態を調べる。例えば、オーロラによる電子密度の変化が、オーロラの強度の変化によるものなのか、それもとオーロラという筋構造が横に移動して、観測箇所を通過しただけなのか、判別できるようになる。

 他にも、オーロラを起こす高エネルギー電子が大気との衝突で届かないとされる高さ、例えば中間圏で起こっている現象のどれが高エネルギー電子による間接的な影響なのかなど、異なる領域同士での相関も分かるのである。異なる高さでの「領域間結合」は地球科学の重要な問題の一つであり、例えばマントルの動きが大陸を動かし、山をつくり、ひいてはそれは気候を左右しているのも、領域間結合の問題だ。それが上層大気では双方向に非常に短い時間で起こる。

 一般の人に関係ある話でいえば、地上から高度10kmまで身近な大気現象や落雷現象、地球の温暖化と、高度80km以上の電離層現象とがどのように関係しているか、という問題がある。地球温暖化問題では、二酸化炭素などの温室効果ガスが強く作用していることが知られるが、 ・・・続きを読む
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筆者

山内正敏

山内正敏(やまうち・まさとし) 地球太陽系科学者、スウェーデン国立スペース物理研究所研究員

スウェーデン国立スペース物理研究所研究員。1983年京都大学理学部卒、アラスカ大学地球物理研究所に留学、博士号取得。地球や惑星のプラズマ・電磁気現象(測定と解析)が専門。2001年にギランバレー症候群を発病し1年間入院。03年から仕事に復帰、現在もリハビリを続けながら9割程度の勤務をこなしている。キルナ市在住。

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