第263回生存圏シンポジウム・名大STE研研究集会 2015年2月19-20日 京都大学

EISCATおよびEISCAT_3Dレーダーで拓く極域大気・ジオスペース研究
Study on polar atmosphere and space environment
opened by EISCAT and EISCAT_3D radars
宮岡 宏1、野澤 悟徳2、小川 泰信1、大山 伸一郎2、藤井 良一2 、中村 卓司1、 C.Heinselman3
1国立極地研究所

2名古屋大学太陽地球環境研究所

3

EISCAT科学協会

H. Miyaoka1, S. Nozawa2, Y. Ogawa1, S. Oyama2, R. Fujii2, T. Nakamura1 and C. Heinselman3
1 National Institute of Polar Research
2 Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University
3 EISCAT Scientific Association

: Core SiteESRTx/Rx: 930MHz, 1.7MWTx/Rx: 224MHz, 1.7MW

Upgrade ofMainland Radar（EISCAT_3D）
MainlandRx: 930MHz ’ 224MHz

Rx: 930MHz ’ 224MHz

EISCATレーダーによる非干渉散乱観測
電子密度

電離圏内の電子の熱的ゆらぎ

電子温度

イオン温度
時間
高出力（1MW）のUHF/VHF
帯パルス状電波を送信

非干渉散乱（IS）
スペクトルを測定。
’ スペクトルフィッ
ティング
観測値
フィッティングの結果

非常に微弱な信号（10-16 W）を受信

イオン速度・高度約70-1000 km における電子密度や電子/イオン温度、イオン速度を導出。
・さらに経験モデルなどを組み合わせて、電離圏電流、電気伝導度、電離圏電場、
3
下部熱圏中性風速を導出。

EISCAT database in NIPR
Uniform and user-friendly database is essential for study of long-term trends andcollaborations with other ground-based observations.
EISCAT database has been developed to make users accessible on the web:

http://133.57.20.115/www/eiscatdata/
To make the database, we use:
 4 Workstations(CPU: Dual Xeon or Core i7)
for data analysis, web server,
and license server

・KST UHF/VHF radar data : 1981-2015
・EISCAT Svalbard radar data: 1996-2015(Ne,Ti,Te,Vi, E-field, Conductivities,…) 20 NAS (7 or 8 HDDs each,RAID5/6/10, Gigabit Ethernet),
as file servers.
Data storage capacity:~200TB in total

Volume of EISCAT data
1TB

All rawdata (ACF data)

EISCAT rawdata (-2015):~42 TB (~38 TB in NIPR)

EISCAT analysed data(-2015): ~6 TB in NIPR
1TB

Only Tromsø UHF rawdata

As a reference:
NIPR optical and radio wave
data at TRO/LYR (2010-):~50 TB in total
Rawdata volume of EISCAT for Sep. 1981 - April 2013.
(Note: Only CP and SP(NI) data in 2012 and 2013)- Total volume of Tromsø UHF rawdata (ACF data) in 2011: ~2 TB- EISCAT_3D (continuous run (x ~4) & multi-beam (x ~50)): ~400 TB/year ?

Search and visualization on
EISCAT database
http://133.57.20.115/www/eiscatdata/

CDF format files
for
IUGONETUDAS of IUGONET

http://www.iugonet.org/en/

The IUGONET developed an integrated analysis system known as “UDAS,” which provides
time-series plots and an analysis of various ground-based observation data. UDAS has beenreleased and can be downloaded from website.

Ne@TRO
Ne@LYRExB velocity @TRO
ExB velocity @LYR
IMF BzSolar wind pressure

TDAS/UDAS-GUI tool (IUGONET leaflet)

An example of CUI plots of EISCAT andother data using TDAS/UDAS

TDAS/UDAS consists of CUI and GUI tools. The GUI tool (works on a free IDL VirtualMachine) provides an intuitive operation for IDL beginners. The free IDL Virtual Machineallows any users without a paid IDL license to use the GUI tool.

Procedures for database building
EISCAT rawdata(Matlab binary)

EISCAT sites or HQ

download via Internet, or copy in portable HDDs
guisdap
EISCAT rawdata(Matlab binary)
Resolution:a few sec

Analysed data(Matlab binary)
Resolution: 1,2,5-min,60-min, a few sec,…

Analysed data(ASCII format)
1-day file

Using IDL

NIPR
Metadata and analyseddata (CDF format)

Analysed data(KMZ format)

Summary plots(ps, pdf, png)

1-day file

1-day file

1-day and 2-hours

For IUGONETFor Dagik

For CEF*On Web* Conjunction Event Finder極域イオン上昇流の太陽活動度依存性[Ogawa et al., JGR, 2010]

イオン上昇流の発生頻度

イオン上昇流のフラックス

イオン上昇流の発生開始高度

太陽
極大期

太陽
極大期

太陽活動度指数

太陽活動は、熱圏中性大気密度や温度、電離圏高度、電離圏イオン-中性粒子間の衝突頻度に変化をもたらすことにより、イオン上昇流の長期的な特性にも9影響を及ぼす。惑星大気の長期的な変遷を理解する上でも重要。

超高層大気の長期変動
極域の超高層大気（高度300km）が、10年で約14度の割合で寒冷化している。
高温500km

高温

高温

太陽活動大

太陽活動大高さ超高層・中層：温度低下

200km

年

低温

温度の変化

図1: EISCATレーダー観測による33年間のイオン温度変動。
超高層大気の温度は、太陽活動の影響を受けて変動している。

地表：温度上昇
100年で約2度（IPCC報告書）

高さ300km

イオン温度は10年で約-14度の割合で低下
年
図2: 太陽活動の影響を取り除くことで明らかになったイオン温度の長期変化
極域の超高層大気が33年間に渡り冷えつつあることが分かる。

[Ogawa et al., GRL, 2014]

この成果は、超高層大気中を飛翔する人工衛星軌道への影響の理解や10気候変動の理解に貢献。

EISCATおよびEISCAT_3Dレーダーの比較
EISCATレーダー（KST）

EISCAT_3Dレーダー

システム

３局パラボラアンテナ（’ 1方向の線観測のみ）

５局フェーズドアレイアンテナ（’ 3次元の立体観測が可能）

中心周波数931MHz （波長：約0.3 m）

233 MHz（波長：約1.3 m）

アンテナ

コア（送受信）局に32mパラボラ
アンテナ1基、2ヶ所の受信局に32mパラボラアンテナ各1基

コア局：約1万本の直交八木アンテナ
4ヶ所の受信局：約1万本の直交八木アンテナ

機械的（2度/秒）

電気的（瞬時）スキャン（’ 対流圏・下部成層圏、より高高度の観測が可能）（コア局から約110 km と 250 km の距離に配置）

送信ピーク電力1.7 MW
送信ピーク電力10MW
送受信機
デューティ比 12.5%
デューティ比 0-25%で可変
高度100 kmで約1 kmの分解能 高度100 kmで最高50 mの空間分解能（干渉法）
データ量

10-40Mbit/秒、100TBクラスの記録装置

54Gbit/秒（生データは計1.6Tbit/秒）、20PBの記録装置

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EISCAT/EISCAT_3Dレーダーの3次元観測
現EISCAT
現行EISCATレーダーによる3局観測

プラズマ物理量＠高度

Ne,Ti,&Te@110km

5秒

Ne,Ti,&Te@300km

送信波
受信波
20秒

Vector Vi@110km

500秒

電離圏受信局
VectorVi@300km
送受信局

受信局

100秒

EISCAT_3D

性能比

0.05秒

100倍

0.3秒

67倍

10秒

50倍

1秒
100倍
現行レーダーによる一次元観測

EISCAT_3Dレーダーによる3次元観測

電離圏送信波受信波
受信局 受信局

受信局

送受信局

受信局

送受信局から送信された複数本の電波が電離圏で散乱する。その散乱波を地上の5つの局で受信することにより、3次元の電離圏観測を実現。

EISCAT_3Dレーダーによる電子密度の3次元分布観測

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PFISR: Images of the Aurora in 4-Dimensions (3-D images v. time) (Heinselman, 2013)
Latitude / Altitude
Cross Section

Altitude / Time
Cross Section

Three-Dimensional Visualization

Latitude / Longitude
Cross Section

JpGU 2013-05-24

マスタープラン2014「太陽地球系結合過程の研究基盤形成」
提案者：津田敏隆（京都大学生存圏研究所長）
研究課題：（１） 赤道ファウンテン
（赤道MUレーダー）（２） 極域エネルギー流入過程（EISCAT_3D）（３） グローバル結合過程（地上観測ネットワーク）

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EISCAT_3D整備計画
計画

整備内容

年次

建設経費

第１ステージ

主局（Skibotn、送信機 50%）
２受信局（Bergfors, Karesuvanto）

2015－2021

全体の60%

第２ステージ

主局の送信機増設 100%

2022

15%

第３ステージ

１受信局（Andoya）

2023

12%

第４ステージ

１受信局（Jokkmokk）

2024

12%

EISCAT_3Dは４段階に分けて計画的に整備を進める。 第１段階でEISCAT_3Dの基本的なレーダー観測機能が整い、本格観測が開始される。

第１- ２ 段階で整備するサイト

第３ - ４ 段階で整備するサイト（完成）

主局および受信局のアンテナ外観図。積雪の影響を避けるため、アンテナ全体を数ｍ高の架台上に設置する。

Antenna Array with support structure

91elements x 109 sub-arrays

Signal processing and Computing
Operation
CenterTransmitter module
・Peak Power 500W
・Duty Cycle 25%
・Efficiency 50%
・Quantity 10,000units

Front end

Beam former

Data CenterRegionalCenter本講演のポイント：• 大学間連携によるIUGONET開発整備の大きな成果として、1981年以降のEISCAT全データがIUGONETの統合解析環境に組み込まれた。
• 次世代のEISCAT_3Dレーダーは、極域へのエネルギー流入や変換過程の解明を飛躍的に進めるとともに、連続モニタリング観測を通じて、熱圏・電離圏の環境変動やスペースデブリ等のリアルタイム監視にも極めて有用。

• EISCAT_3Dでは、さらにデータのオープン化が進み、国際的なデータ解析競争が予想される。日本としても、いち早く成果を創出する態勢の整備が必要。 IUGONETの継続的発展が不可欠。
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