素粒子宇宙物理専攻
宇宙地球物理系nSSe

EISCAT拠点観測（野澤）

北欧トロムソ（北緯70度）において、ナトリウムライダーを中心に用いた観測研究
ü EISCATレーダー、MFレーダー、流星レーダー等複数の観測装置を用いた観測研究ü 北極域高度70-120 kmの大気変動の観測研究① 磁気圏から流入するエネルギーに対する大気の応答〜加熱、風速変動〜② 下層大気から伝播する大気波動〜大気重力波、大気潮汐波、プラネタリー波〜③ 大気上下結合〜成層圏ー中間圏ー熱圏〜
最近の学生のテーマ
・特異ナトリウム層・大気潮汐波
・大気安定度EISCATレーダー
ナトリウムライダー

1

オーロラフォトメータ

http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/~nozawa/LIDAR/

EISCAT拠点観測（野澤）観測研究；複数の観測装置を使用。
レーダー（電波）で、プラズマ情報を、ライダー（光）で中性大気の情報を取得

北極域上空
高度70-120 kmの現象が研究対象

光で観測
電波で観測
レーザーを５方向！
打ち上げる
レーザーを打ち上げる

EISCATレーダー
電子密度、電子温度、イオン温度、イオン速度

光で観測ナトリウムライダー：中性大気温度,2
風速, Na密度

EISCAT拠点観測（野澤）

大気の構造
高度

超高層大気

700 km

大気の一部が電離（＜１％）している。
大気へ大きな影響を与えている。

外圏（磁気圏）
600 kmそれ以高外圏 --- 磁気圏

500 km~500 kmまで

熱圏 --- 電離圏~90 kmまで

中間圏 --- 電離圏

200 km~50 kmまで

成層圏

100 km10~17 kmまで

対流圏

400 km

300 km

熱圏（電離圏）

中間圏
成層圏

3

EISCAT拠点観測（野澤）4EISCAT拠点観測（野澤）5EISCAT拠点観測（野澤）6どうして極域か?
極域大気は、磁気圏および太陽風に繋がっている。

どうして北欧か?
EISCATレーダーを中心とした多くの観測装置が展開

Magnetometer+ all-sky camera

EISCAT
Earth’s magnetic fieldlines+complementary obs.
HotSunEIonosphere

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EISCAT拠点観測（野澤）Solar wind energy input
Magnetosphere

120km

Thermosphere/80km
Ionosphere
Mesosphere

Joule heating/particle heating/ion dragMomentum/energy input due to waves

GW

AuroraCouplings of theneutral atmosphereand electric particles

Planetary waves,tides.
Coupling of the upperand lower atmosphere

Atmospheric waves

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EISCAT拠点観測（野澤）EISCAT拠点観測（野澤）ESR（EISCAT Svalbard Radar)(送信周波数 500 MHz)

ロングイヤービェン（78.15º N, 16.05 º E）に設置。
アンテナは可動式（直径 32 m）と沿磁力線方向固定式（直径 42 m）の２基より構成。VHF、UHFレーダーに比べ高緯度に設置されているため、太陽風粒子が直接流入するカスプ域や、ポーラーキャップにおける物理現象の観測に適する。

VHFレーダー(送信周波数 224 MHz)
トロムソ（69.59º N, 19.23º E）に設置
アンテナの大きさは120 m ×40 m。
４つの可動式シリンダー型のアンテナから成り、２方向の同時観測が可能。
UHFレーダーに比べ、高高度または低高度の双方の観測に適する。

UHFレーダー（送信周波数 931 MHz）
トロムソ ( 69.59º N, 19.23º E )、キルナ ( 67.86º N, 20.44º E )、ソダンキラ ( 67.36º N, 26.63º E )に設置。
アンテナはパラボラ型であり、その直径は 32 m。

9EISCAT拠点観測（野澤）EISCATのデータの例
極端紫外線による電離
電子密度

オーロラ電離電子温度

時間分解能１分
高度分解能３km

イオン温度

イオン速度

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EISCAT radar site at Tromsø (69.6°N, 19.2°E)
EISCATレーダを始め、MFレーダー、流星レーダー、FPI、オーロライメージャなどが稼働しており、総合的な中間圏・熱圏・電離圏の観測が行われている。

2010年10月からナトリウムライダー稼働開始。
EISCAT VHF radar
EISCAT UHF radar

MST radar
Sodium lidar
FPIAll sky imager
Photometer

Meteor radar

MF radar

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EISCAT拠点観測（野澤）EISCAT拠点観測（野澤）2010年10月から観測開始
パルスでレーザーを照射散乱光を観測７シーズン終了。約３０００時間以上の温度データを取得

望遠鏡

受信器

Naレーザー
反射鏡
フォトマル

送信コンテナ

受信コンテナ
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Source

EISCAT拠点観測（野澤）Sodium Layer
MetalsCosmic dust flux (comets) into the earth’s atmosphere

About 30 (3-300) tonnes per dayPlane, Chem. Soc. Rev., 2012
Na ablates about 5 km higher than Fe

Sodium input rate ~0.3 t/dPlane, 2019

Plane, 201913高い時間分解能（数分）を達成するには、高速に波長変換が必要
EISCAT拠点観測（野澤）Backscatter Cross-section(x10-16m2)

Doppler Broadened Sodium D2 Spectra
fa

1.2fc
Center frequency =c/589.1583nm

1pm

10.8
0.6
0.4

3pm

0.2
0 -3-2

-10

1200K

150K

Frequency Offset(GHz)250K

0.02 pmの精度で制御

2314EISCAT拠点観測（野澤）Variation of temperature in altitude,
Horizontal different, and time

58 km 58 km
58 km 58 km

15EISCAT拠点観測（野澤）Characteristics of the sodium LIDAR at TromsøHigher power (~4 W), low noise, high-sensitivity PMT, and HANDY
Covering 80 and 110 km region

Strong points:(1) Simultaneous FIVE directional observations of Temperature,wind, and sodium density.
(2) High time/altitude resolutions: 3min/500 m (5 sec/96 m)
Now 1min/500m
15min/1km

16EISCAT拠点観測（野澤）Sample of LIDAR data:
We can obtain temperature, velocity, and Na density simultaneously at the five directions.

Temperature at the vertical position

Temperature atsouthward position

Temperature at
northward position

Temperature at
westward positionTemperature ateastward position

Zenith angle =12.5 deg.
Resolution=17
3min/500 m

EISCAT拠点観測（野澤）Sample of LIDAR data:
We can obtain temperature, velocity, and Na density simultaneously at the five directions.

Temperature at the vertical position

LOS velocity atsouthward position

LOS velocity at
northward position

LOS velocity at
westward position

LOS velocity ateastward position

Zenith angle =12.5 deg.
Resolution=18
3min/500 m

Ramfjordmoen(EISCAT Tromsø site)

LIDARコンテナ
ミリ波コンテナ

トロムソ中心部から車で 30分

EISCAT拠点観測（野澤）19EISCAT拠点観測（野澤）ライダーオペーレーション
観測中は、観測所に滞在し、自炊する。外国人研究者との国際交流

我々のグループ以外に、電通大、信州大の学生もライダー観測に参加

ちょっと町でランチ

ただし、今年度は資金がない、、来年もわかりません( ﾟДﾟ)ゞ

雪国の醍醐味！雪かき！

Cooking and monitor

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トナカイ肉でdinnerA new five-wavelength photometer operated in Tromsø (69.6°N, 19.2°E)
EISCAT拠点観測（野澤）Compact・light weight (~20 kg)
Capability of FOV
High sampling rate (400Hz)
オーロラ発光、電気伝導度導出
Starting observations
in Feb 2017

光学系
Optical Unit

PC

信号増幅器
Control Unit
光学系（H120 × W200 × D520 mm）
信号増幅器（H160 × W320 × D330 mm）
ＦＡコントローラ（H60 × W210 × D150 mm）

21Nozawa et al., EPS, 2018

EISCAT拠点観測（野澤）フォトメータは意外と役に立つ！

各発光のタイミングの違いの違い

オーロラモニターに加えて：

427.8 nm は、N2+ 、それ以外は、O

Results October 19,
2017
2016:47-2016:59
Scatter plots of auroral
intensities (20 Hz data)
between 427.8 nm and557.7 nm (top-left),
630 nm (top-right),
777.4 nm (bottom-left),and 844.6 nm (bottomright) between 20:16:48
UT and 20:16:59 UT
on October 19, 2017.
Red solid lines are
fitted lines determinedwith the least square fit.

Delay

5577

6300

No delay

遅延から酸素分子密度77748446

vs 4278２波長の組み合わせて、降下電子エネルギ推定22

EISCAT_3D

EISCAT拠点観測（野澤）新型のレーダーが建設中。性能は、これまでの１００倍！ 2022年稼動開始予定
þ One core array (10 MW, 233 MHz) and 4 remote arrays will make it possible 3D
imaging of the ionosphere.
þ Phased array system (about 10,000 antennas each site).
þ Included on the EU ESFRI (European Strategy Forum on ResearchInfrastructures) road map (announced in December 2008: 44 projects).
þ Costs 132 million Euro (about 16.5 billion Japanese yen).

Lighting protection andcalibration towers

Core antenna (109 subarrays)
fence (for RF shielding andkeeping people/animals out)

Garage (for housing a tractor,storage area etc.)shielded House (computerroom, office,small workshop etc.)

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EISCAT拠点観測（野澤）ターゲット：高度70 kmから120 kmの北極域大気の変動
大気加熱（ジュール加熱、粒子加熱）
スポラディックナトリウム層(SSL)
鉛直風
大気波動による風速・温度変動（大気重力波、大気潮汐波、プラネタリー波）
大気ダイナミクス・大気安定度
大気上下結合（成層圏突然昇温）

在籍学生
D1 1名（男）M2 1名（女）M1 1名（女）修士論文題名：：修士論文題名H27:北極域下部熱圏における中性大気温度とイオン温度の比較研究及びジュール加熱の定量評価
H27:トロムソナトリウムライダーを用いた上部成層圏大気温度の導出
H30:トロムソナトリウムライダーを用いた北極域SSLの統計解析
博士論文題名博士論文題名：：H26:Vertical coupling in the polar mesosphere and lower thermosphere:
Event studies of a gravity wave and a sporadic sodium layer（北極域中間圏・下部熱圏における大気上下結合過程の研究：
大気重力波およびスポラディックナトリウム層の事例研究）

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研究内容

EISCAT拠点観測（野澤）太陽風エネルギー注入に対して、超高層大気がどのように応答するか？
〜地球大気環境〜
・磁気圏ー電離圏ー熱圏-中間圏相互作用の研究・大気上下結合
ー下層大気からの影響と、磁気圏（太陽風）の影響を定量的に吟味ー
EISCATレーダーを利用して下部熱圏大気の運動（風）、加熱量の導出。中間圏観測用分反射（MF）および流星レーダーを用い、中間圏から下部熱圏にわたる大気ダイナミクスを探る。さらに、ナトリウムライダーにより、風速および大気温度を測定して、磁気圏からのエネルギー注入への応答を探る。

極域中間園・下部熱圏（70 - 120 km)が研究対象領域
大気ダイナミクス、大気加熱、大気波動伝搬、砕波現象、Naレイヤーの生成等々
キーワード：北欧、オーロラ、ライダー、EISCATレーダー、
大気上下結合、大気ープラズマ相互作用
お問い合わせ：野澤悟徳 nozawa (at) nagoya-u.jp
素粒子宇宙物理専攻 http://phys.nagoya-u.ac.jp/phys2020/ISEE.pdf
宇宙地球物理系

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