気象・火山・環境観測検討会, 2014 年 10 月 24 日

テラヘルツリモートセンシングによる大気の観測

落合 啓
情報通信研究機構 電磁波計測研究所

テラヘルツ波

電波と光の間に位置する電磁波で、0.1 THz から 10 THz の周波数範囲を指すことが多い。

ミリ波の一部、サブミリ波、遠赤外の一部を含む。

1e+06の伝搬距離は短い。

2∼6 THz 帯では、1 m あたり 1 dB以上の減衰がある。

10000
Absorption [dB/km]

水蒸気による吸収が大きく、地上で1000001000
1000 km10
120 km

0.10.01

通信では、近距離または宇宙で広帯域の利用が可能。

0.001
1e-04
0.1

1Frequency [THz]102/17

リモートセンシング
アクティブ• レーダー• 光源を使用したイメージング、分光
パッシブ× 分光 ↔ 少数チャンネル
× 単一視野 ↔ マルチビーム

テラヘルツ波による大気観測への応用

× 単一開口 ↔ 干渉計
× 大気放射 ↔ 大気吸収× 鉛直または斜め観測 ↔ リム観測
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大気の何がテラヘルツ波で測れるのか
テラヘルツ波の特徴• 対流圏はほとんど伝搬しない。
→ 近距離のセンシングか、成層圏等の薄い大気での応用に限られる。
• 大気中分子の回転遷移の吸収線が多数観測できる。
→ 大気分子を分けて観測することに向いている。
• マイクロ波より波長が短い。(小さいアンテナですむ)→ 雲の観測。装置の小型化。
衛星からリム観測が可能な高度の下限 衛星から直下観測が可能な高度の下限

Observable Altitude [km]201510500.06

0.1

0.2

0.3

0.6

12Frequency [THz]36102030

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大気の何がテラヘルツ波で測れるのか• 成層圏の微量成分 (O3 , ClO, HCl, BrO, HO2 , HNO3 , OH, N2 O, SO2 , · · ·)オゾン層関連化学物質や、中間圏の観測ができることが特徴• 成層圏の水平風
成層圏の風を 5 m/s 以下の精度で測る唯一の方法• 対流圏上部の氷雲雲氷のカラム量を求めるのに最適な観測方法• 水蒸気、温度 (対流圏はミリ波の場合)
マイクロ波サウンダの高周波への拡張• 惑星等の大気、惑星等の地表面分光による大気組成、風、地表温度・組成等の観測• 地上で近距離の気体成分
Observable Altitude [km]広帯域の分光衛星から観測が可能な高度の下限 (地球)201510500.06

0.1

0.2

0.3

0.6

12Frequency [THz]

3610

2030

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成層圏のリム観測
JEM/SMILES 09:02:38 26 Jan. 2010, 75.2E 65.1N

250

3717BrOHNO3HNO3O OO

35O3H Cl

O3,v1,3
HOClO3,v2H Cl18OOO

1717O OOO OO

Limb Emission [K]200hT= 0 km
hT= 10 km

150hT= 15 km

10050hT= 20 km
hT= 25 km
hT= 30 km

0624.4

624.6

624.8

625.0

625.2 625.4 625.6
Frequency [GHz]Retrieval
2010/01/26 09:02:38 (SMILES L2r 2.1.5)

80

O370

7060

Altitude [km]Altitude [km]

80

5040

2010/01/26 09:02:38 (SMILES L2r 2.1.5)

625.8

626.0

626.2

JEM/SMILES は、640 GHz 帯で他の衛星より10 倍程度高い感度で観測した。

HCl

605050454040353030Band A
Band B

202010-10123 4O3 [ppm]56Band A
Band B

10-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5HCl [ppb]302520−60−3003060

JEM/SMILES の観測は 2009 年 10 月から 2010 年 4 月まで。
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Photo courtesy of NASA

1 m (H)
0.8 m (W)
1.8 m(L)the International Space Station (ISS)476 kgthe Superconducting Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounder (SMILES)

SMILES による成層圏の風の測定

P. Baron, ACP, 12, 32473, 2012

オゾンのラインの Doppler シフトから、成層圏の風速を 5 m/s 程度の誤差で測定
5 m/s : Doppler shift 10 kHz

適当な周波数での観測ができれば 2 m/s の誤差での測定も可能。

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8 556/, .- 65 , ' 0,,! ! ,11/17

可視紫外との同時観測による対流圏観測
可視紫外の観測とサブミリ波リム観測を組み合わせることで、対流圏のオゾンの高度分布を導出することができる。

文部科学省 「地球観測技術等調査研究委託事業」 による「低軌道からの大気汚染と気候変動物質の 3 次元観測 : ミッションフィージビリティ検討研究」の成果

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近距離のリモートガスセンシング
テラヘルツ波を照射し、建物などで反射したものを分光することで危険なガスを検知する。

煙の充満した約 10 m のガスセルの中のシアン化水素を検出。
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テラヘルツ高感度ヘテロダイン受信機の開発
超伝導素子 (HEBM) によるテラヘルツ高感度受信機を開発。

3 THz 発振器 (QCL) のフェーズロックにも成功。

HEBMQCL

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まとめ
• テラヘルツ波 (0.1−10 THz) による地球大気のリモートセンシングでは、次の量を観測対象としている。

• 成層圏の微量成分 (O3 , ClO, HCl, BrO, HO2 , HNO3 , OH, N2 O, SO2 , · · ·)• 成層圏の水平風• 対流圏上部の氷雲• その他、水蒸気や温度、また、近距離の危険な気体• 木星圏等の惑星大気観測にむけた開発が進みつつある。
• テラヘルツリモートセンシングに利用できるデバイスとして国内では次の開発が進められている。

• 高感度受信機、計測機に使用する超伝導デバイス• テラヘルツ帯の、高周波数安定の発振器• ミリ波からサブミリ波帯の低雑音増幅器(衛星搭載、地上設置ラジオメータでの利用を想定)

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