第 12 回成果報告会(2019/3/17)O-10

富士山域環境のレーザー観測システムの調査研究
小林喬郎 1， 椎名達雄 2， 久世宏明 2， 矢吹正教 3 ， 三浦和彦４
1.福井大学， 2.千葉大学， 3.京都大学， 4.東京理科大学

１．はじめに世界遺産となった富士山の山頂や周辺域にライダー（LIDAR）またはレーザーレーダー（Laser Radar）と呼ばれる光波の遠隔測定装置を設置して、気象や大気環境の空間分布情報を遠隔的に観測するシステムの実現を目指して、その基礎的な課題の調査を開始した。まず本年度は山頂の測候所や５合目の観測小屋における条件の調査と、実験に利用可能なシステム等の技術的な検討を行った。

消散係数の時間変化と山頂での新粒子生成過程との関係について考察した 4, 5)。

２．ライダーシステムの計測特性と設置条件
本研究で実現が期待されるライダーシステムについてこれまで種々の検討を行ってきた 1, 2）。表１に現状のライダー方式の大気観測要素やレーザー波長、測定距離・高度、さらに富士山で観測が期待される計測情報などを示す。
ミー散乱方式ライダーでは SPM エアロゾルの粒径や重量濃度の分布や越境汚染の測定、ドップラー方式では突風や湿度や気温などの気象要素の測定も実現できる。これらの構

４．ハイパースペクトルカメラでの汚染分子密度の広域分布
計測

成により現状の気象予報の高精度化や局地的な異常気象のさらに千葉大学では小型のハイパースペクトルカメラ詳細な監視などが可能となる。また、分子の差分吸収ライダ(Hiperspectral Imager)を利用して広い方位角度（360 度）でーでは地球温暖化や噴火ガスなどが検出可能となる。
これらのライダーの装置構成は比較的大型で消費電力も数 kW が必要となる。そのため、これらのシステムの現状での利用は頂上付近での動作は困難である。しかし、５合目付近の観測基地での動作は可能なものと判断される。これらのシステムは既に国内の大学や研究所などにおいて利用されており、実用的な製品も開発されている。本格的な観測システ
ムの実現には利用者等のニーズの調査や装置の取得や借用等の作業が課題となる。の多軸差分吸収分光法(MAX-DOAS) 6) による大気汚染物竜巻などの風向・風速の３次元計測などが可能となる。さらに

３．小型ライダーによる富士山での観測研究
富士山の頂上付近の自由対流圏での新粒子生成過程の研究として、エアロゾル成分の鉛直輸送のライダー計測と山頂の測候所や気球等をプラットフォームとした直接計測との同時観測が 2013 年より京都大学と東京理科大学の共同研究により行われてきた 3）。2015～2016 年の観測では、
富士山麓太郎坊（標高：1290 m, 北緯 35.2, 東経 138.8）を観測基地として、アイセーフ性の高いマイクロパルスライダーを用いた観測を実施し、大気境界層高度やエアロゾル質の二酸化窒素 NO2 密度分布を可視化する装置を実現した 7,8)。可視の波長領域（400〜750 nm）で約 1000 本の波長識別能力を持っており、晴れた日の空の撮影から太陽光が大気分子等に散乱されて観測者に到達するまでに通過してきた大気の吸収スペクトルを画像のピクセル毎に調べ、都市域上空（図１）と滑走路上空の大気中において人間活動や飛行機の離陸等に伴って発生する NO2 濃度の空間分布を可視化した（図２）。この測定手法は可視光に吸収をもつ他の気体分子にも適用可能であり、水蒸気（H2O）や酸素二量体（O4）の可視化も行った。また、ミー散乱計算と組み合わせて PM2.5 のようなエアロゾルの光学特性を推定することも可能である 8)。さらに小型・軽量の装置構成から、富士山での極限的環境での利用も可能である。
５． 差分吸収レーザーセンサーによる分子濃度の高感度計測法の開発
また、本研究グループは赤外域の波長可変半導体レーザー（LD）を利用した携帯型の分子濃度の高感度計測センサ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
連絡先：小林喬郎（Takao KOBAYASHI） t.koba100@gmail.com

ーの開発研究を行ってきた。

や気象要素の計測技術の進展を目指したい。

波長 1.5 - 1.6 μm での光通信システムに利用されており、参考文献
1) 小林喬郎 (2016). レーザを用いて地球環境を探る：総ス（CH4）の漏洩を検出する小型の差分吸収型センサーと論.電気学会誌、130.8, 526-529.
して地表面等にレーザー光を照射して、１m の光路長で 10 2) 小林喬郎、椎名達雄、久世宏明、矢吹正教, 三浦和彦
ppm の高感度特性のセンサーを開発した９）。光路長を 1 km
(2018). 富士山域の気象・環境ライダー観測システムの調査研究. レーザセンシング学会第 36 回シンポジウム予稿
程度に長くすると数ppbの超高感度での検出が可能である。
集、36、100-10１．
また、波長 2～3 μm の赤外域 LD 等を利用すると、CO2 や3) 矢吹正教，三浦和彦、(2018). 太郎坊上空における大気
H2O, NO2, H2S などの温室効果ガスや噴火ガス、水蒸気境界層高度の特徴 －2015～2017 年夏期ライダー観測（H2O）や大気汚染分子などの多数の分子濃度の高感度計－, 東京理科大学大気科学研究部門第２回成果報告会,
33-34.
測が可能である。さらにこのセンサーは小型のバッテリー
4) 矢吹正教、高橋けんし(2015).森林域におけるリモート駆動での長時間測定も可能であり、富士山頂での通年観測センシング大気計測、東京理科大学山岳大気研究部門の可能性もあることが今回の調査で判明した。
第４回成果報告会, 30-31.
5) 片岡良太, 三浦和彦,等 (2016). その場観測とライダー
観測から探る富士山頂における新粒子生成の要因, 第６．結言
33 回エアロゾル科学・技術研究討論会, C05.
世界文化遺産の富士山における「富士山環境レーザー観 6) Irie H., Takashima A., Kanaya Y., et al. (2011). Eightcomponent retrievals from ground-based MAX-DOAS測システム」の実現により次のような機能と成果が期待でobservations, Atmos. Meas. Tech. 4, 1027–1044.
きる。
7) Manago M., Kuze H., et al. (2018). Visualizing spatial・本NPO における富士山の自然科学の研究や教育面での新distribution of atmospheric nitrogen dioxide by means ofhyperspectral imaging, Appl. Opt.,57 ,5970 - 5977.
たな利用が可能となり、広い活動の展開が予想される。
8) Manago N., Kuze H., et al．(2013). Retrieval of tropospheric・異常気象の状況や環境の変化、噴火等の火山活動の防災
aerosol parameters using hyper- spectral imaging camera,
情報システムとして登山者や地域住民の利用・活用が可能
IEEE IGARSS, 2192-2195.
9)
椎名達雄、小林喬郎(2014). メタンガス遠隔吸収センになる。
サの高感度化のための最適波長変調法の検討。レーザ・富士山の広域での気象や環境の情報はネット配信等の情ーレーダー研究会、第 32 回レーザセンシングシンポ
報産業にも価値が高いため、連携した活動が期待できる。
ジウム予稿集, 32, P-32, 102-103.
さらに来年度には、小型で高効率のレーザーセンサーの分子の計測にも広く利用されている。大気中へのメタンガ開発とその観測実験等を行い、高感度で高精度の分子濃度

図１．千葉大学屋上から地平線付近を 360°見渡すパノラマ画像の比較

図２．滑走路上空を撮影した画像（左図）と通常のカメラの画像（上図）と NO２濃度の分布画像（下図）

航空機排気ガスの NO2 分布画像（右図）