分光イメージング観測でみる
超高層大気
鈴木臣 ：愛知大学地域政策学部
1

京都大学学術情報メディアセンターセミナー「フィールドワークとスーパーコンピュータ」(06.11.2019@京都大学)

大気の波

北東西南

2

大気の波

北東西南

3!!

どんな機械を使っているの？
CCD Camera

Filter-Wheel

Fish-Eye Lens

4Airglow camera
大気光カメラInterference Filters

国際宇宙ステーションから見た地球
国際宇宙ステーションからみた地球
Aurora and airglow viewing from International Space Station
Images courtesy of the Image Science & Analysis Laboratory, NASA
Johnson Space Center (http://eol.jsc.nasa.gov/)
Photo Number: from ISS029-E-5930 to -6239
Movie made by A. Saito, Kyoto University5大気光（Airglow）

6『空と色と光の図鑑』(斉藤文一・武田康男，草思社，1993)

大気光（Airglow）
Airglow is a faint luminescence in the upper atmosphere (>80 km altitude). The
atmospheric constituents are excited by the chemical reactions and emit lights
to relax (chemiluminescence). Airglow emissions give useful information tostudy the dynamics and chemistry in the upper atmosphere.
紫外光

可視光

近赤外光

7

Johnston and Broadfoot (1993)

地球の大気400~1000K

Ionosphere 電離圏

100Meteors
Airglow

160K(~-113℃)
Mesosphere 中間圏

NLC
sprites

160

80ISS

AuroraThermosphere 熱圏
0.01 0.001

超高層大気

Pressure Height[hPa][km]8Ozone Layer20Stratosphere 成層圏

200K
0100

40260K

Atmosphericwaves

温度

Troposphere 対流圏

290K(~17℃) MeteorologicalDisturbances

Airplane超高層大気までの距離

100 km名古屋

超高層大気までの距離

400 km名古屋

見えない波のイメージング観測
height[km]

OI (630.0 nm)~300

OI (557.7 nm)

95
Na90

OH

85

atmospheric waves
airglowcamera11見えない波のイメージング観測
OI 557.7-nm filter

height[km]

OI (630.0 nm)~300

OI (557.7 nm)

95
Na90

OH

85

atmospheric waves
airglowcamera12

大気重力波って．．．
thermosphere(ionosphere)
airglow imaging >>mesospherestratosphere
tropospheregravity waves

penetration>> ionospheric irregularities
breaking>> energy/momentum deposition
propagation

excitation
by meteorological disturbances-大気重力波は中間圏・下部熱圏（MLT領域）の風・温度場の13

バランス形成において重要な役割を担っている．
-重力波の一部は熱圏・電離圏高度にまで達し電離圏擾乱の種になると考えられている．
-大気光イメージング観測は，MLT高度（電離圏への通り道）の大気波動を二次元画像として可視化できる．

観測ネットワーク
Optical Mesosphere Thermosphere Imagers (OMTIs)
60N

Tromsø (2009.01-)
camera #12 (C)FPI #1

Resolute (2005.01-)
camera #6

Kühlungsborn (2012.06-2014.08)
NIPR camera
Magadan (2008.11-)

EQ

camera #11 (B)Shigaraki (1998.10-)
camera #1
FPISATI
tilting photometer #1

Akure (2015-)
camera #13
20E

30N

Paratunka (2007.08-)
camera #10 (A)Athabasca (2005.09-)
camera #7
tilting photometer #3

Rikubetsu (1998.10-)
camera #3
tilting photometer #1/#3
temperature photometer #3

Chiang Mai (2010.02-)
Sata (2000.06-)
NICT camera
camera #2
FPI #2
Yonaguni (2006.03-) temperature photometer #2/#1
camera #8260E

Kototabang (2002.10-)
camera #5
temperature photometer #1/#2
80E

Darwin (2001.10-)
camera #4
FPI #4200E

140E

The Institute for Space-Earth Environment Research (ISEE), Nagoya
University operates 20 airglow cameras to monitor MLT airglow.
14波と雲
大気光観測は月のない晴れた夜間に限られる
大気光~100 km
雲〜数km

15

波と雲雲はどれでしょう？

16

波と雲雲はどれでしょう？

17

雲

雲

雲

雲

雲

波

通常と違う方が面白い

フロント構造暗い構造の後に細かい波が続く．
その他にも明るさが急激に変わる
ボア構造などがある．
18

http://www.coastalwiki.org/wiki/Tidal_bore_dynamics

通常と違う方が面白い

砕波構造
背景の風速構造（または温度構造）によって波が崩れる．
運動量・エネルギーが背景場に渡されている様子．
19

Yamada et al. (GRL, 2001)

通常と違う方が面白い

同心円構造
同心円の中心に波源があると考えられる．原因（気象）と結果（超高層大気の波々）が一対一で対応づけられる．
20

Suzuki et al. (JGR, 2007)

地図上にマッピングした大気光画像

レーダーアメダス合成図（雨量）波構造はわかるけれど．．．
Airglow imaging technique is useful in the identification of 2D horizontalfeatures (wavelengths and motions) of the MLT gravity waves. Most wave
structures, however, extend across the whole field-of-view of an camera, so
it is difficult to know their actual spatial extent and how far the waves do
OH-BAND EMISSION @ SHIGARAKI (C23)EMISSION @ SHIGARAKI (C23)travel. OH-BAND
GEOGRAPHICAL GRID
ALL-SKY IMAGE
COUNTSN

17-JAN-2002

E(TIME-DIFFERENCE)
17-JAN-2000WS

5000

6000

7000

8000

9000

256400S-0.5-2.50

2.50.5

Y-PIXEL

MER.DIST.[KM]

256400300[KM][PIXEL]

200200100-256

100-256

E

500

500

300

21

DEVIATION [%]NW

all-sky image
00-256

100

200

300

X-PIXEL[PIXEL]

400

500

256

geographic projection image
00-256

100

200
300
400
ZON.DIST.[KM]
[KM]

500

256

たくさんカメラがあるとこんなことやTime-diﬀerenced OH airglow
13.Jun.2004 2025 - 2617 LT＊ mapping altitude: 85 km

gravity wave ducting
Based on simultaneous
observations using four OH airglow
cameras from the OMTI network
in Japan, we showed, for the firsttime, observational evidence forcoherent ducted gravity wave
propagation over a very large
spatial extent exceeding 1800 km.
Horizontal wavelength: 33.4 km
Phase speed:
42.8 m/s
Propagation direction: Northward

Suzuki et al. (2013a, GRL)

22

たくさんカメラがあるとこんなことがTyphoon-induced wave
OMTI camera network in Japan
identified coherent airglow
patterns expanding concentrically.
Infrared cloud images from GMS-5
suggest that the centre of the rings
estimated from the airglow data
corresponds to a spiral band ofTyphoon Pongsona (T0226).
COMPUTED CENTRE(33.2N, 149.9E)

OMTI OH airglow
10.DEC.2002
1240-2047 UT(2147-2947 LT)

23

TYPHOON T0226
PONGSONA

Suzuki et al. (2013b, GRL)

じゃあ観測点を増やそう
低廉・小型の民生品カメラを使うことで観測網を飛躍的に拡充することができる

200,000 JPY (1,900 USD)!

less than
one-fiftieth of one OMTI imager (10,000,000 JPY)

CCD Video Camera

Video Encoder
Optical Filter(for OHairglow)

Fish-eye Lens‘‘Development of low-cost airglow cameras” S. Suzuki and M. Yamamoto, 2013
RISH, Kyoto Univ., Collaborative Research (Challenging Exploratory Research).
24システム概要
ロングパスフィルターとCCDセンサーの波長感度特性から，中間圏界面付近（~86 km）の OH 大気光（Mienelbands: 700~900 nm）を観測すること

Edmund 62987ができる．

video camera

WATEC WAT 910-HX/RX
CCD: SONY ICX418, 8.4x9.8μm

fish-eye lens

FUJINON YV2.2X1.4A-2
F1.4, f=1.4 mm, FOV=185°

optical filter

Edmund 62987
infrared long-pass filter

video encoder

Axis M7001
jpeg （8-bit）

25

SONY ICX418

テスト観測（first light）
信楽MU観測所でのテスト観測結果

480 pix

JPEG [8-bit grey-scale]
exposure: 4 sec
cadence: 4 sec
resolution: 640 x 480 pixels
size: ~90 KB(approx. 324 MB per night;
90 KB x 3600 images for
10-h observation)

640 pix26

どうすれば縞模様が見えるかな
14:41:00 14:41:04 14:41:08

・・・

・・・

1.create a composite image(1-min accumulation)

14:41:00

14:41:52 14:41:56

・・・........

14:46:00

14:42:00 14:42:04 14:42:08

14:42:52 14:42:56

・・・........

・・・

14:46:00 14:46:04 14:46:08

・・・

14:46:52 14:46:56........
14:47:52 14:47:56........

・・・

27* time is in UTC ( = LT + 9 hrs)

・・・

14:47:00 14:47:04 14:47:08

14:46:00

2.make time-difference (TD) image,which is calculated from thedifference from the pixel intensitiesof each image before 300 sec

お高いカメラとの比較
WATEC 8-bit image (JPEG)
4s exposure, 4s cadence

1-min Composite image

Time-Diﬀerence image
gravity wave

gravity wave
OH airglow at 14:46:00@Shigaraki
640 x 480 pix

OMTI 14-bit image (TIF)
15s exposure, 330s cadence±13% deviation
Time-Diﬀerence image

OH airglow at 14:46:00@Shigaraki
512 x 512 pix

28±13% deviationドイツでもはじめました
Kühlungsborn (54°N,12°E)：2016.03.01-Julisuruh (54°N,13°E)：2017.03.23-

29

さらなる展開．．．

30

日本

東南アジア

北欧

南米大気光観測の有用性
ハワイでの電離圏の大気光観測から地震・津波に伴う大気光の強度変動が観測された．

白黒画像：
電離圏大気光強度（= プラズマ量変動）
赤い線：
津波の場所

Makela et al. (2011, GRL)
31

まとめ
大気光観測による”地球と宇宙のつながりの可視化”をおこなっている．現在は，多地点ネットワーク観測を推進中．
超高密度・多地点観測を実現するために・僻地での大量の画像データ (90KB/10 s/ 1-camera)の転送環境（太陽光パネル，携帯電話などの利用）・波構造の自動抽出アルゴリズムの改良
・迅速なデータ公開が必要． >> HPC の技術が不可欠（？）

できれば HPC への敷居を下げてもらえると，理科教育や途上国を巻き込んで観測ネットワーク網が展開できる．
32