Ⅳ

電磁波センシング基盤技術

超高感度センサが拓く新しい地球大気のすがた／笠井 康子

超高感度センサが拓く
新しい地球大気のすがた－国際宇宙ステーション搭載超伝導サブミリ波サウンダ（SMILES）－「世界最高感度により地球大気中の存在比で 1兆分の1程度しか存在しない物質計測を達成した超伝導サブミリ波リム放射サウンダ SMILES(Superconducting
Submillimeter-Wave Limb-Emission
Sounder) を紹介します。
」

214

笠井 康子（かさい やすこ）

電磁波計測研究所
センシング基盤研究室 主任研究員

共同研究者 :
佐川英夫、菊池健一、落合啓、入交芳久、安井元昭、メンドロック ヤナ、バロン フィリップ
1995 年東京工業大学大学院理工学研究科博士後期課程修了。理化学研究所基礎科学特別研究員を経て、1998 年郵政省通信総合研究所（現 NICT）に入所。国際宇宙ステーション搭載・超伝導サブミリ波リム放射サ
ウンダ（SMILES）を始めとした大気リモートセンシング観測研究に従事。趣味は SMILES。博士（理学）。

左から笠井康子、佐川英夫、菊池健一、落合啓、入交芳久、安井元昭
上部左からメンドロック ヤナ、バロン フィリップ光ネットワーク技術

Ⅰ−１

はじめに超伝導サブミリ波リム放射サウンダ SMILES（Superconducting Submillimeter-Wave
Limb-Emission Sounder）は 2009 年 9 月にワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

国際宇宙ステーション（ISS）に打ち上げられ、現在は日本実験棟（JEM）曝露部に搭載されています（図 1）。オゾン層破壊や温暖化そして大気汚染などの地球大気環境変動では、大気中に

図1

SMILESと国際宇宙ステーション存在する微量な分子やラジカル＊の働きが鍵にわれたものでした。測器の設計寿命は 1 年間でこれまで鍵になる働きをすると考えられていたしたが、2010 年 4 月に局部発振器が不具合をにも関わらず、あまりにも微量で従来は計測が起こし、さらには 2010 年 6 月から心臓部であ困難であった物質、例えば地球大気中の存在比る超伝導ミキサを冷却する冷凍機が 4K に到達

で 1 兆分の 1 程度しか存在しない一酸化臭素しなくなり、1 年に満たない期間で観測の継続をBrO やヒドロパーオキシラジカル HO2、100断念しています。しかしながら、従来より 10 倍

億分の 1 程度の次亜塩素酸 HOCl などを検出以上の高精度の SMILES による観測は、地球大しました。現在はこれらの超微量分子の大気中気の新しい姿を見せてくれました。これらの結果における振る舞いについて詳細な研究を進めてはオゾン層回復と気候変動の関わりを始めとしいます。

た地球環境問題に対してユニークな視点を追加

SMILES ミッションの目的は、
1）4
K（−269℃）機械式冷凍機により冷却した

Ⅰ−４

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

量が低いという傾向があります。SMILES では、Ⅱの親しい研究者からは“Crazy Japanese”と言

す分子ラジカルは、アクティブであるほど存在

Ⅰ−３

新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

違えば無謀とも言える技術的挑戦に対して、海外ネットワークセキュリティ技術なります。反応性が高く大気組成の変化を起こするでしょう。ここではごく一部ですが、初期的な成果なども紹介いたします。

高感度サブミリ波超伝導受信機システムの宇宙における技術実証

SMILES 観測スペクトルとデータ処理

2）世界最高の超高感度観測により地球大気のSMILES は国際宇宙ステーションから見える

構（JAXA）の共同開発ミッションで NICT におを観測します。SMILES 観測スペクトルの一例

いては 1997 年から本格的に開発を開始しましを図 2 に示します。一見シミュレーションともた。SMILES では大気からのサブミリ波放射を見紛う、美しい測定スペクトルが得られました。

受信し、周波 数を落としたのちに分 光します。

2009 年 10 月に出た初データは国際会議等でSMILES 測器開発は近年の「“小短軽”（小型、開紹介するたびに関連研究者から“Impressive！

発期間を短く、質量を軽く）」衛星開発の傾向とJapanese Technology ！”な ど の 敬 意 と 称は逆行した挑戦的な開発でした。質量 500kg、賛の言葉が次々と贈られてきました。これには消費電力 400W、これまで宇宙では例のなかっSMILES 測器チームの技術力の高さを改めて感た 4K 超伝導受信機開発、など大型でひとつ間じました。

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Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

地 球 周縁の大 気のサブミリ波 放 射スペクトル基盤技術です。SMILES は NICT と宇宙航空研究開発機

Ⅲ 未来

新しい姿を拓く215

Ⅳ電磁波センシング基盤技術

超高感度センサが拓く新しい地球大気のすがた／笠井 康子

図2

SMILESで観測したスペクトル

図3

SMILESのデータ処理系の概念図

NICT では、測器開発のほか、このスペクトルから大気中分子・気温・水蒸気・氷雲・風速などを導出する Level2 アルゴリズム開発と処理、データのグリッド化などの Level3 データ処理を行うと共に、これらのデータ配布を行っています。

図4 SMILES観測データを実況するWebページの例

NICT の地球環境計測分野はこれまで測器開発が主流であり、大容量の地球観測衛星データの最近の成果準リアルタイム処理を行うのはこれが初めての試216みでした。打ち上げ 2 カ月後の 2009 年 11 月末

SMILES ではこれまで上部成層圏から中間圏にには宇宙ステーションからの SMILES 観測デー

おいて光化学ラジカル物質（大気微量成分）の観測

タを準リアルタイムで処理したものを実況するを行いました。
これらのグローバルな日変化観測は「SMILES 観測データのクイックルック」を世界にこの高度領域においてはこれまで存在しておらず、発信する準備が整いました。図 3 にデータ処理世界で初めてのことでした。図 5 には SMILES 観系の概念図と図 4 にはデータクイックルックペー

測で初めて得られた赤道域上空における ClO とジの一例を示します。

HOCl の 24 時間変化を示しました。例えば高度光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２の反応により HOCl となり、夜明けと共に HOCl

現在では環境衛星観測は珍しいものではなくな＋ hv → Cl ＋ OH、Cl ＋ O3 → ClO ＋ O2 と 変りました。観測で得られる大量の衛星観測データ換していく様子を観測により捉えています。これらに対してデータ処理が追いついていないことがは理論的計算では予測されていたものの、グロー問題になってきています。また、たくさんある衛バル観測では SMILES が初めて実証した現象で星データの統合的解析の重要性も増してきましす。SMILES 観測事実により定量的な解釈が可能た。今後は、NICT で進められているサイエンスになりました。オゾン破壊化学反応のメカニズム

クラウドプロジェクトを用いて、衛星データ処理の詳細な理解は、人類の多くが居住する中緯度を 1 桁高速化し、データ統合することにより新しや赤道域におけるオゾン破壊量の定量的な見積い世界を展開していきたいと思っています。

Ⅰ−４

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術性を増すでしょう。しかし 20 年前とは異なり、Ⅱ

塩素原子 Cl が、夜間には ClO ＋ HO2 → HOCl



社会経済活動をサポートすることは今後も重要

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

45km に注目すると、昼間には ClO の姿をした

Ⅰ−３
ネットワークセキュリティ技術

図5 上
 部成層圏（高度45km付近）において、日没とともにClOがHOClに変換し、夜明けとともに再びClOに戻る様子を初めて実測定で捉えました。
［T.O.Sato, Titech, Private communication］

りを可能にし、オゾン層破壊回復時期予測の精度向上に貢献します。これら SMILES で得られた研究結果を用いて今後は WMO（世界気象機関）へ

SMILES 観測データのページ
https://smiles-p6.nict.go.jp/products/operational_
latitude-longitude-2days.jsf

Ⅲ 未来の提言をしていくことを目指しています。

参考
SMILES のホームページ
http: //smiles.nict.go.jp/

これから基盤である大気質や水資源に対して影響を及ぼ

用語解説＊ ラジカル
通常は 2 個 1 組で原子核の周りの軌道上を回転しているはずの電子が何らかの条件によって1つしかなくなっている状態のこと。

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術する主要な強制力のひとつとなり、生物の生存基盤技術

現在、人類活動は地球大気環境システムに対ICTしています。宇宙からの大気環境の監視は、地球の温暖化や大気汚染と健康被害などの現実の実態把握の道具として非常に有効です。これらのデータを有効に使い、安心・安全な国民生活・௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ217