火星大気循環の解明～ダストデビルの内部調査～

Team TOMATOCPS探査ミッション立案スクール 2016/08/26

目次・背景・ミッション定義/ミッション要求/システム要求・システム仕様背景：火星の特徴• 軌道長半径:1.5 AU• 軌道周期：1.881年• 自転周期：1.026日• 季節変化がある–比較的地球に似た惑星• 大気の特徴–薄く、冷たく、乾燥•平均 6 hPa(1/160 気圧)、~220 K、液体の水がない–極氷の凝結(冬極)と昇華(夏極)•平均地表気圧の16%におよぶ圧力変化–ダストの存在

火星大気循環構造• 火星大気はどのような循環構造を持っているか？
– シミュレーション・観測双方を用いて研究を行う．
• 火星大気循環構造モデル– 火星全球での風速・温度・物質分布を計算する．
– 様々な物理過程を考慮する(例：放射過程、乱流過程、地表面過程、ダスト巻上げ/重力沈降過程、CO2 大気の凝結/昇華過程による大気量変動)．
• 大気中のダスト存在量を正確に見積もることが重要．

ダストの供給源
どのようなサイズのダストが、どの地点にどれくらい供給されるか？
• 供給源：ダストストーム、ダストデビル– これらの現象による巻き上げ量を正しく推定する必要がある．
– 現象を正しく理解することが重要．

ダストデビルに関する研究• 観測：カメラによる観測が主、圧力計、風速などから観測されたものもある→カメラ：現象の結果のみ観測可能＝発生条件の制約は困難
圧力計、風速：データ点数が少なく全体構造が分からない• ダスト巻き上げ量の推定法• ダストデビルのサイズ、ダスト量(明るさから)、垂直方向速度、継続時間から• ダストデビルの通った跡から→ダスト量、速度は直接観測ではないミッション定義
地球型惑星の大気循環を理解する．
• 火星の気象を明らかにする– 大気循環の理解•ダスト供給量に影響するダストデビルについて理解する．
–発生したダストデビルだけでなく、ダストデビル発生前後の環境のデータも得る．
–形成から消失までの時間変化を追う–ダスト量、渦内の流れを直接観測するミッション要求• ダストデビルの直接観測を行う．
– 確実にダストデビルの発生する領域で観測を行う– 直径、高さ、風速、圧力、温度、ダスト量の測定– ダストデビルの時間変化を追う– 発生/消滅位置・時間および移動経路の観測– ダストデビル発生前後の環境および周囲のデータも得る．

Extra– 季節変化を調べる– 1火星年分のデータの取得

ミッション要求とシステム要求
ミッション要求

システム要求発生/消滅位置・時間および移動経路の観測

地表で風速・圧力・温度・ダスト量を測定できること

ダストデビルの直径、高さ、風速、圧力、温度、ダスト量の測定

適切な密度で複数の測定点を持つこと

ダストデビル発生前後の環境および周囲のデータの取得
季節変化を調べる
赤字はExtra長さ・位置情報を画像から取得できること

同じ観測点で連続したデータを得ること

システム仕様
要求：適切な密度で複数の観測点を持つこと→地表に複数の測定点を設置する• 観測場所：Gusev Crater→過去にダストデビルの発生が確認されている
10～50 Dust Devils/day・km2•測定点数：100点程度•測定範囲：1km2（1km×1km）•測定期間：半年（火星春分～）

観測場所
ダストデビル観測場所：Gusev Crater・・・「Spirit」が着陸し、ダストデビルの発生を確認した

Gusev Crater（南緯14°、直径166km）

測定範囲
測定点の配置：1km×1kmの範囲に100点程度
・・・多くのダストデビルは直径20～40mのため、一部測定点の間隔を20mとし、詳細な測定を目指す。

測定範囲
過去の観測結果（Greeley et al,2010）

観測場所のイメージ（1km×1km）

ダストデビル＠ Gusev Craterシステム仕様
要求：長さ・位置情報を画像から取得できること→地上に設置したブイから観測場所を撮影する【撮影方式のトレードオフ】
軌道上から撮影

地上ブイから撮影

地上ローバーから撮影

メリット

観測範囲全体を上空から撮影可能

撮影機器搭載ブイへの置き換えにより可能

撮影点の変更が可能

デメリット

静止軌道からの撮影となり、適切な分解能は望めない複数点（3点以上）からの撮影が必要

複数点（3点以上）からの撮影が必要

評価

×○△

香

使用ロケットH2A 202
代表的軌道

軌道高度例

打ち上げ能力

静止軌道

約36,000km

約4.0t

低高度軌道

約300km約10t

太陽同期軌道 約800km

約4.4t

地球重力脱出 月・惑星探査

約2.5t

参考
http://www.jaxa.jp/projects/rockets/h2a/index_j.html

香

探査機の概観
探査機全体

太陽電池パドル

バス機器

ランダー
パラシュート

ランダー
ローバー

香

ミッションシーケンス

打ち上げ後，月スウィングバイを2回行い，火星までの軌道に遷移する

MS
M

E

香

ミッションシーケンス

火星の周回軌道に投入後，観測機器をランダーを目標の位置に落下するよう投下する
母船

ローバーを乗せた
ランダー

M

香

ミッションシーケンス

投下後，パラシュートを展開し減速をする
スラスタ制御をしながら降下し，最後はエアバックを開き軟着地をする

パラシュートは切り離す

スラスタ制御香

ミッションシーケンス

着地後，定点ブイを決められた点に配置する

香

ミッションシーケンス

・母体を火星の静止軌道へ遷移させる場合静止軌道上で観測棒を配置した領域を常時観測する

M
軌道高度約17,000km

井ローバー諸元

項目

数値

備考

質量700kg

本体500kg+ブイ1kg×100
機+100kgマージン

外形寸法

長さ3m

TBD

姿勢制御系

TBD

TBD

発生電力

１ｋW

TBD

ミッション期間

0.5地球年

ブイと同じ走行距離

田植え方式

確実にブイを配置

観測機器

撮像カメラ

定点観測の様子、ダストの鉛直方向挙動を撮影

デジタルレコーダ
s/x通信アンテナ

ブイの観測データの記録
ハブ→オービタ→地球井

定点ブイ概観参照（https://solarsystem.nasa.gov/docs/pr456.pdf）

井

定点ブイ諸元項目

数値

備考

質量800g

TBD

外形寸法

10×10×10cm

TBD

発生電力

5W

TBD

作動可能温度-50~ミッション期間

0.5地球年

火星春分から夏/秋まで

位置間隔

20m間隔

温度・気圧分布100m間隔

移動速度・履歴

固定方法

TBD

観測機器

風速計

風向、風速

気温計

周辺温度

気圧計

周辺気圧

ダストカウンター

ダスト粒径、数井

定点ブイバス機器仕様

項目

数値

備考

構造系

10cm角

TBD

電源系

太陽パネル一面＋バッテ 風力発電も？
リ

通信系

S,X

～100kb

熱制御系

MLI

TBD

姿勢制御系

３軸ジャイロorボール状感知機（rf. MASCOT
https://solarsystem.nasa.g
ov/docs/pr456.pdf）

ジャイロは重い高価参照（https://solarsystem.nasa.gov/docs/pr456.pdf）

定点ブイミッション機器仕様
測定レンジ

分解能

タイムステップ

備考

風速計

1-50 m/s

0.1m以下0.5s

風向も測定したい

温度計

100-300 K

0.1 K以下

圧力計

500-900 Pa

0.1 Pa以下

ダストカウンタ

1µm-TBD

1 µm以下

ダストデビル内の風速(1-数十m/s)でこの分解能が出れば良い

観測点の分布

1 km×1 km

20 m×20mの領域を含む

分布範囲は多少狭くなっても良い

観測点の個数

100個

風速計
熱線風速計

http://www.nks-wahakaru.jp/2016/0121_000000.php

http://www.kanomax.co.jp/technical/detail_0013.html

ダストカウンタ

https://ls.beckmancoulter.co.jp/products/particle-counter/data/04

主要な課題考えられるトラブル解決法(案)

衛星

火星周回軌道への投入失敗

予め再投入可能軌道を選択

ローバー

着地がうまくいかず衛星にもカメラを搭載しておき、観測衛星としてのミッションを行う

ブイ

上手く動作しない

個数を多くすることでリスクを下げる
故障個数があまりに多い場合はローバーを用いて移動探査ミッションに変更する

通信ネットワークのトラブル
各ブイ→ローバー（→衛星）→
地上局

衛星or地上局との直接通信網も用意する

おわり

以上

ミッション要求とシステム要求
ミッション要求

システム要求ダストデビル周囲の環境の把握

ダストデビル周囲のダスト量・風速・気温・気圧を測定できること
ミクロな観測上空からのダストデビルの画像を取得できること

ダストデビルの大きさの把握ダストデビルの発生/消滅
位置・時間の確認
長期的なデータの取得
赤字はExtraマクロな観測システム仕様
システム要求地表で風速・圧力・温度・ダスト量を測定できること
適切な密度で複数の測定点を持つこと

長さ・位置情報を画像から取得できること
同じ観測点で連続したデータを得ることシステム仕様定点ブイシステム仕様参照

上空からあるいは複数点からの観測
ミッション期間:半年以上観測点を固定する

システム仕様
要求：長さ・位置情報を画像から取得できること→四隅に設置したブイから観測場所を撮影する

ダストの影響• 観測された鉛直温度分布と、ダストを考えない鉛直1次元放射対流モデル• ダスト存在量増→ダストによる放射加熱量増→惑星規模の循環が強まる．
• 供給源
ダストストーム、ダストデビル

実線：モデル計算＋：観測結果• どのようなサイズのダストが、どの地点にどれくらい供給されるか？
(小高, 2007)

システム仕様
要求：上空からのダストデビルの画像を取得できること→軌道上探査機から観測場所を撮影する• 軌道：静止軌道（高度約17000km）→南緯14°程度なので撮影可能•分解能：5m以下→ダストデビルの直径は20～40m