国際宇宙ステーションからの観測のための広視野大気光・オーロラ撮影装置の開発
Development of the airglow/aurora imager with wide field-of-view for observationfrom the International Space Station（地球電磁気・地球惑星圏学会推薦）

代表研究者 京都大学

齊藤 昭則

Kyoto University

Akinori SAITO

協同研究者 東北大学

坂野井Tohoku University

Takeshi SAKNOIJapan Aerospace Exploration Agency

Atsushi YAMAZAKI

宇宙航空研究開発機構

山崎 敦

健

The airglow/aurora imager with wide field-of-view was developed for the observation from the exposed facility ofthe International Space Station (ISS). From 2012 to 2015, ISS-IMAP（Ionosphere, Mesosphere, upper Atmosphere, andPlasmasphere mapping）carried out the observation of disturbances in the Earths’ upper atmosphere from ISS, and foundthat the wider-field-of view and higher-resolution observation is necessary to elucidate the structures in this region.
Based on these results, new mission plan was discussed and new observational instrument was developed to exploit thei-SEEP, a new platform on the exposed facility in the ISS Japanese Experiment Module. The instrument is designed toobserve the airglow structures of plasma bubbles in the equatorial ionosphere to monitor the ionosphere, and forecast theoutage of the radio communication between satellites and ground-based receivers. The multiple imagers can capture thethree-dimensional structures of the Earth’s upper atmosphere with high temporal and spatial resolution. An additional
in-situ instrument of thermal plasma is proposed to complement the optical remote observation. The small and low-cost
airglow/aurora imager can be utilized for the observation on CubeSats, sounding rockets, and autonomous ground-based
station besides ISS. The research plan for the 18 months observation from ISS/i-SEEP was proposed.

研究目的

十 分 に 測 定 す る こ と が で き な か っ た 。 そ こ で 、 IS S・経緯

か ら の 新 た な 観 測 を 実 施 す る こ と で 、 I SS- I M AP

代 表 研 究 者 ら は 2 0 1 2 年 から 2 0 1 5 年 に か けてで得 られた成 果 を発 展 させる必 要 性 を認 識 し、

国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン ( IS S) の 日 本 実 験 棟 「 き ぼそのための装 置 開 発 を行 うために本 研 究 を着 想う」の船 外 プラットフォームに設 置 されたポート共し た。

有 実 験 装 置 内 に VISI と E UV I と い う 2 台 の 撮 影
装 置 を設 置 して地 球 超 高 層 大 気 からの発 光 現
象 を高 感 度 ・高 分 解 能 に捉 える観 測 を実 施 した。

・観測の意義
観測対象とするのは高度 80km から 1,000km にわた

この 3 年 間 の観 測 によって地 球 超 高 層 大 気 にる地 球 超 高 層 大 気 領域であるが、この領域は人工多 くの波 状 構 造 が発 生 していることが新 たに明

衛星による宇宙利用に影響を与える宇宙環境であり、こら かに なっ たが 、 VISI の 観 測 視 野 が天 底 方 向 にの領域で起こる「宇宙天気現象」は宇宙利用システムに限 られているなどの制 限 から、現 象 の全 体 像 を大きな影響を与えている。特に、近年は（1）人工衛星の数の増加、(2) 宇宙利用の高精度化と社会インフラ化、測開始が予定されている低地球軌道からのの 2 点から、従来は問題とならなかった現象であっても、ICON(Ionospheric Connection Explorer)衛星による同時その影響の評価と軽減が必要とされてきている。これら観測はこのような複合的な宇宙空間からの観測の先駆の衛星システムに対して、超 高 層 大 気 領域での宇宙けとなるものである。本研究における観測を立案する上天気現象は、(A)地上との通信電波への影響、(B)衛星では、これらの観測の達成を踏まえたものである必要がの飛翔への影響、の 2 点から影響を及ぼしている。特に、あり、両ミッションの展開に注目しながら検討が行われた。

(A)地上との通信電波への影響は(2) 宇宙利用の高精GOLD ミッションは静止軌道からの紫外線による地球全度化と社会インフラ化、と併せて影響が大きくなってい面の撮像であり、夜間の電離圏のプラズマ密度構造と、る。

昼間の下部熱圏の酸素原子・窒素分子密度構造の測そして、そのような社会的な環境の変化は、超 高 層定を行うものであり、2018 年 10 月から定常的な観測を大 気 領域研究にも変化をもたらしている。従来は、どの行なっている。ICON 衛星は高度 600km の低地球高度ような物理過程で現象が起こったのか、という現象の理衛星であり、GOLD と同様の紫外線による狭視野撮像解を目指していたものが、それに加えて、いつ、どのように加えて、電離圏の電場、中間圏の大気温度と風の計に起こり、どのように発達・移動・消滅するのか、という予測を行うものである。当初は 2017 年の打ち上げが予定報が必要とされてきている。ICAO(国際民間航空機関)されていたが、打ち上げ装置の不具合により延期され、の要請を受けて世界 8 機関（日本では情報通信研究機

現在、まだ観測は開始されていないが、準備中である。

構が担当）で整備されている Space Weather Information

これらの先進的かつ大規模な衛星からの超高層大気Service などもそのような動きの一つであり、宇宙天気現観測に対して、独自性のある観測を実施するための観象についても、「天気予報」のように、科学的知識の実測方針の検討が行われ、（1）可視光の撮像、 （2）広視社会への活用が求められる段階に入りつつあり、観測も野・高解像度 (3) 赤道域プラズマ・バブルに注力、の 3気象観測で行われているように、地上観測に加えて複つの方向性がまとめられた。また、撮像観測の欠点を補合的な宇宙空間からの観測が必要とされている。

うために、プラズマのその場計測も組み合わせる事としこれらの状況を受けて、本研究では、今後の継続性・た。

発展性も考慮した宇宙空間からの地 球 超 高 層 大 気(1)の理由としては、GOLD/ICON では紫外線が撮像領域観測ミッションの立案とその核となる観測装置の開に用いられているが、これは紫外線撮像では、衛星が発を行った。

日照領域においても観測できるためである。しかし、ICON 衛星よりもさらに低高度を飛翔する国際宇宙ステ研究経過ーション（ISS）では、ISS が地球の影に入る時間は十分・観測プロジェクト立案に長く、その領域では可視光での撮像観測も可能であ

高度 50km 以下の成層圏・対流圏領域に対しては、静る。可視光撮像の利点としては主に、(1) 大気光の発行

止衛星・低地球軌道衛星・地上観測による複合的な観輝度が紫外線よりも高い事、(2)複数の発光層があること

測と数値モデルを結合した予測が行われているが、高から、高度ごとの変化を捉えることができ、3 次元的な構

度 80km から 1,000km にわたる地 球 超 高 層 大 気 領域造の測定が可能であること、の 2 点が挙げられ、においても、将来的にはこのような観測・研究体制が確

ICON/GOLD では捉えられない現象の測定が期待でき立されると想定される。しかしながら現状では特に宇宙る。(2)の理由としては、低高度であるため、視野は限ら空間からの観測が非常に限られている状況である。しかれているが、180 度を超える広視野の撮像をすることでし、米国 NASA によって 2018 年から観測開始された静広範囲の測定が可能になり、さらに高解像度の撮像と止軌道における GOLD（Global-scale Observations ofすることで、空間分解能を高めることができる。いずれも、

the Limb and Disk）ミッションによる連続全球観測と、観近年急速に高感度化・多画素数化・小型化が進んでいる民生品の可視光撮像素子を使うことで軽量・小型に実置―観測装置間はネットワークが利用可能であるため、現が可能である。（3）の理由としては、プラズマ・バブル

従来の衛星観測に使われているような制御システムでは赤道域において出現頻度が高く、擾乱度が強い電離はなく、地上の無人観測点での観測で使用している汎圏宇宙天気現象であり、GPS などの GNSS(全地球測位用的なシステムが可能である。記録メディアとしては衛星システム)の障害として問題視されており、観測からHDD もしくは SSD を用い、半年ごとに観測データ記録予測へつなげる必要性が高い現象であるからである。まずみのメディア（40T バイト）を地上に持ち帰ることで大た軌道傾斜角が 51 度である ISS からの観測に適してい容量データを取得する。

る現象でもある。
・広視野大気光・オーロラ撮影装置の開発
・国際宇宙ステーション船外プラットフォーム（1）可視光の撮像、 （2）広視野・高解像度 (3) 赤道

本研究の観測装置は、宇宙航空研究開発機構が日域プラズマ・バブルに注力、の 3 つの方針により、当初

本実験棟「きぼう」の船外プラットフォームで運用してい想定していた赤外域で高感度である InGaAs カメラではる中型曝露実験アダプタ i-SEEP を用いることを想定しなく、可視光域での高い感度をもつソニー社製の高感た。i-SEEP における搭載環境、必要事項、利用可能時度・高画素数 CMOS センサーを利用する事とした。軽量期などについて、2017 年 11 月と 2018 年 5 月に JAXA小型化が可能であり、可動部による機構の複雑化と不担当者と打ち合わせを行い、調整を行った。i-SEEP へ具合を避けるために、フィルターを固定し、単波長を測の機器搭載料は重量と回収の有無によって定められて定するカメラを複数使用することによって多波長観測をいるが、運用方法によって地上運用費などは異なるた行う事とした。Fig. 1 に見られるように、可視光観測の利め低コストでの実現のための運用方式の検討を進めた

点として発光高度の異なる多波長での大気光・オーロラ[http://iss.jaxa.jp/kiboexp/equipment/ef/i-see

観測を行うことで現象の 3 次元構造の観測が可能となるp/]。

ことがあるが、地上観測ではフィルター・ターレットを用これらの情報を受けて、搭載条件、データ転送レートいて 1 台のカメラで複数波長の測定を行っている。本装などの検討を進めた。利用できる ISS からのデータ通信

置では、単波長カメラを複数用いることで、装置の機構

帯域は広視野・高分解能の撮像観測に関しては十分でを単純化できるともに、それぞれが独立に高時間分解はないため、データ転送レートが観測の視野と分解能をでの撮像が可能となる。宇宙空間の観測では高時間分制限することが明らかになった。そこで、i-SEEP では地解能データはデータ転送の制限を受け、測定データが上への機器の回収が可能であることに着目し、一部のク限られるが、本装置では、データを記録装置に保存し、イックルック的な速報データのみを速時に転送する以外地上へ物理的に回収することでこのような観測形態がは、撮像観測データは記録装置に保存し、一定期間の可能となる。

観測後に記録装置のみを地上へ回収することで、これまでにない広視野・高空間分解能・高時間分解能の超大容量データの観測を実施することとした。これにより、従来の小規模な観測では不可能だった大容量観測データの取得が可能となり、それを生かした、高画素数の撮像素子を用いた小型の撮像観測装置を複数台用いて多波長の観測を行う撮像装置の開発を行った。観測制御装置は ISS の与圧環境に搭載し、撮像観測装置の制御とデータ転送を行うと同時にデータ保存装置にデータを保存する。地上―観測制御装置間と観測制御装

Fig. 1. Airglow imaging from ISS by Nikon D3s
ソニー社製の CMOS センサーとしてはデジタルカメラ

く予定である。観測の実現にはより深い検討と、多くの支援を集めることが必要であると認識している。

α7S がすでに i-SEEP に設置されて用いられた例があるため検討を行った。同じくソニー社製の CMOS センサー

参考文献

を用いた天体観測用のカメラはさらに小型化が可能で・宇宙航空研究開発機構, 宇宙ステーション・希望あり、それらとバンドバスフィルター、魚眼レンズからなり、広報・情報センター「中型曝露実験アダプター」,180 度の視野で大気光・オーロラの撮像観測が可能な

http://iss.jaxa.jp/kiboexp/equipment/ef/i-s

装置を開発した。複数台のカメラによる同時観測を行う

eep/

ことで、高度 250km, 95km, 85km の 3 つの高度の同時測定が可能である。データ呼び出し、観測制御などは研究の発表

与圧環境内の Linux ベースの PC から行い、地上からの口頭発表

運用は最小限にした観測が可能である。小型・低コスト

1. 齊藤 昭則, 宇宙空間からの地球超高層大気観測でありながら高感度・高解像度かつ運用の容易な装置の国内外の現状, 宇宙空間からの地球超高層大が開発され、本研究が目的とする ISS/i-SEEP への設置

気観測に関する研究会, 小金井, 2018/09/12.

だけではなく、CubeSat クラスの超小型衛星や、観測ロ

2. 齊藤 昭則, 国際宇宙ステーション(ISS)からの超高ケット、地上無人観測点などでの観測にも応用すること層大気観測の可能性, 宇宙空間からの地球超高ができる装置である。

層大気観測に関する研究会, 小金井,
2018/09/12.

考察
これらの結果を踏まえて、幅広い研究者から意見・提誌上発表

案・批判を受けるために、「宇宙空間からの地球超高層

1. Hozumi, Y., Saito, A., Sakanoi, T., Yamazaki, A.,

大気観測に関する研究会」という研究会を 2018 年 9 月

and Hosokawa, K., Mesospheric bores at southern

12 日に情報通信研究機構 小金井本部にて開催した

midlatitudes observed by ISS-IMAP/VISI: a first（参加者 54 名）。ここでの議論も受けて、2021 年 12 月

report of an undulating wave front, Atmos. Chem.

から 2023 年 5 月までの 18 ヶ月間にわたり ISS からの観

Phys. Discuss., doi:10.5194/acp-2018-383, 2018.

測を実施する観測プロジェクト案を作成し、2018 年 11 月

2. Nakata, H., A. Takahashi, T. Takano, A. Saito andには日本学術振興会科学研究費補助金基盤(S)としてT. Sakanoi, Observation of equatorial plasma

研究プロジェクトの提案を行った。残念ながら不採択でbubbles by the airglow imager on ISS-IMAP,あったが引き続き、他の予算も含めて、提案を行ってい

Progress in Earth and Planetary Science, Vol. 5,
66-78, doi:10.1186/s40645-018-0227-0, 2018.