オゾンの 3 次元分布
Three-Dimensional Distribution of Atmospheric Ozone
0゜30゜E゜W30

Height (km)60
゜W゜E6090゜E90゜W

40

40

35

35303025252020

151510-30-60-70-80-90-80-70-60-500゜E0゜W
12(1018m-3)

120゜W

150゜E

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5Ozone density distribution along a meridian (0E to 180E) in Southern Hemisphere (4 November 1996).
The pattern was derived by a trajectory analysis using the UKMO assimilation data and the ILAS data
inside the polar vortex obtained during the period of 30 October to 9 November 1996.

(DU)
175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425

Fig.1 Total Ozone

0.5

Fig.3*2 Ozone Number Density in the 0°- 180°longitude meridian inSouthern Hemisphere
ILAS Version 3.10

180゜4500゜ADEOS TOMS

*1

10-30-40Longitude (degree)
0.0

15150-50-40

゜W3030゜E

150゜W0゜E
15Total ozone map around the south pole (4 November 1996). The data was provided by ADEOS TOMS.

★

★

★

-150-120-90-60

★

★

★

★

60
゜W

★

゜E60

★

40★

★

★

90120

1503090゜E90゜WHeight (km)

3525
200゜W

98 / 10ADEOS Earth View

120゜E

121510-180-3003060

180Longitude (degree)(ppmv)
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

S - 74.2°
SFig.2*2 Ozone Mixing Ratio along 73.9°

4.5

5.0

180゜

5.5ILAS Version 3.10Ozone distribution in an altitude-longitude cross-section along a 74°S latitude circle (4 November 1996).
Stars give the footpoints of ILAS observations.

(1018m-3)
0.5

1.0

1.5

2.0

2.53.03.5Fig.4*2 Ozone Number Density near 17.5 km in altitude

4.04.5ILAS Version 3.10Ozone density distribution in a horizontal layer from 15km to 20km (4 November 1996). The pattern wasderived by a trajectory analysis using the UKMO assimilation data and the ILAS data obtained during
the period of 30 October to 9 November 1996.
*1 Produced by NIES using ADEOS TOMS data
*2 Produced by NIES using ADEOS ILAS data

オゾンの 3 次元分布
Three-Dimensional Distribution of Atmospheric Ozone
上層大気にはオゾン濃度の高い領域があり、成層圏オゾンあるいはオゾン層とよばれている。このオゾン層は太陽から地球に降り注ぐ紫外光のうち波長約 300nm より短い部分を吸収して遮蔽するので、地表にすむ生物にとって大切な存在である。しかし波長 300nm 付近では、この遮蔽効果は完全ではなく、一部の紫外光は地表まで到達し、人体、作物、水中プランクトンなどに悪影響を及ぼすといわれている。この部分の紫外光は UV-B と呼ばれているが、地表に入ってくる UV-Bの量は太陽の高度や雲だけでなく大気中のオゾンの量によっても大きく左右される。
成層圏のオゾンによって吸収された太陽紫外光のエネルギーは熱に変わるので、成層圏大気の熱源として最も重要である。この熱源の強さは緯度によって異なり、その結果大気の大循環が起こる。成層圏オゾンの変動は大気の大循環の変動につながり、中期の気象変動や地表付近の気候にも影響を与える。南極域の春期に現れるオゾンホールの出現によって、人造物である CFC（クロロフルオロカーボン：通称フロン）などによる成層圏オゾンの破壊が現実のものになった。さらに北半球の中・高緯度でも冬から春にかけて、下部成層圏のオゾンに減少傾向があることがはっきりしてきた。これも CFC などからの塩素、それにハロンや臭化メチルからの臭素がオゾン破壊を引き起こした結果だとされている。オゾンを破壊する物
質の製造は国際条約で禁止されるようになったが、大気中の滞留時間が長いためと、非加盟国での製造は継続されるため、大気中の塩素・臭素の量が減少に向かうのは 10 年ぐらい先と予測されていた。さらに温室効果気体の濃度増加のため成層圏が寒冷化し、これによって塩素・臭素によるオゾン破壊が加速される可能性がある。これらの要因のため最近では成層圏オゾンの減少傾向が回復するのはかなり先になると予測されており、南極域のオゾンホールが消えるのも来世紀の後半になるだろうといわれている。従って引続きオゾン層の変動を監視する必要がある。
一方、対流圏のオゾンは地球の熱放射を閉じ込めるので、温室効果がある。対流圏の中では、一酸化窒素類、一酸化炭素、炭化水素類の光化学反応によってオゾンが作られる。地表の大気汚染、野火・焼畑・薪炭などのバイオマス燃焼、上空における航空機の排気など人間活動がこれらの微量気体の濃度を増やしていると考えられている。そのため対流圏オゾンの増加による地球温暖化への影響が無視できないといわれている。
このように、大気オゾンは人類の生存環境および気候をコントロールする重要な要因である。その３次元分布の時間変動を正確に把握し、変動のメカニズムを解明し、予報することは地球変動のサイエンスにおいて極めて重要な課題といえる。
ADEOS には TOMS、IMG、ILAS の 3 つのオゾン観測器が搭載された。TOMS は１日で全地球のオゾン全量（*1）分布を観測した。IMG は昼夜の別なく全地球的な測定ができ、オゾンの高度分布を対流圏成分と成層圏成分に分けて求めることができる。ILAS はもっぱら南北の高緯度域のオゾンの高度分布を測定したが、この地域はオゾン層の破壊が最も顕著なところなので、ILAS のデータはオゾン層の破壊の状況を詳細に把握するうえで役立っている。
図 1 は TOMS のデータから作成した 1996 年 11 月 4 日の南半球のオゾン全量分布図である。南極大陸上空にオゾン全量の少ない領域があるが、これがオゾンホールである。この時のオゾンホールは 0 度の経度方向に拡がり、楕円状をしている。このオゾンホールを取囲んでオゾン全量の多い部分がIn the upper air, there is an ozone-rich region called the stratosphericozone or the ozone layer. The ozone layer is critical to life on Earth as it
absorbs solar ultraviolet (UV) radiation of wavelengths less than 300
nanometers (nm). This shielding is not complete around a wavelength of
300 nm, and some solar UV can reach the Earth's surface. This solar UV
which belongs to the B region of UV (UV-B) may adversely affecthumans, crops and aquatic plankton. The amount of UV-B flux on theEarth's surface depends sensitively on the atmospheric ozone content aswell as the solar elevation angle and clouds.
The solar UV energy absorbed by atmospheric ozone is converted toheat, providing an important atmospheric heat source. The generalcirculation is derived in the atmosphere because of the latitudinaldifference of the heat source intensity. The variations in stratosphericozone may influence medium-range weather variations and climatic
variations near the Earth's surface. Stratospheric ozone depletion due to
man-made CFCs (chlorofluorocarbons) became real when an ozone holeoccurred in the Antarctic spring. A decreasing trend of ozone in the lower
stratosphere has become evident in winter and spring seasons in middle
and high latitudes of the northern hemisphere. It is ascribed to the ozone
destruction by chlorine liberated from CFCs and bromine liberated fromhalon and methyl bromide. Although the production of ozone-destroying
substances was phased out by the international treaty, it takes more than
10 years before the atmospheric chlorine and bromine content begins todecrease because of their long residence times in the atmosphere andbecause of their production in non-treaty countries. Moreover, thestratosphere will be cooled due to the increase of greenhouse gas
concentrations, which will augment the ozone depletion due to chlorine
and bromine. It is predicted that the decreasing tendency ofstratospheric ozone will not terminate soon, and that the Antarctic ozone
hole will not disappear until after the middle of the 21st century.
Therefore, a sustaining watch on the stratospheric ozone variation ishighly important.
The tropospheric ozone produces a greenhouse effect because it
imprisons the Earth's thermal radiation. Ozone is produced in thetroposphere through photo-chemical reactions among nitrogen oxides,carbon monoxide and hydrocarbons. The tropospheric concentrations ofthese species have increased due to human activities such as industrial
combustion and biomass burning (wild fires, fuel wood burning, slash andburn practices, and so on) on the ground surface, and lightning andexhaust from aircraft engines in the upper air. The 1994 IPCC reportstates that the increasing ozone in the troposphere may impact globalwarming.
Atmospheric ozone is crucial in our living environment and in controlling
the Earth's climate. In global change, it is essential to measure thetemporal variation of three-dimensional distribution of atmospheric ozone
accurately, to understand the mechanism of its variation, and to predict
its variation.
ADEOS carried three instruments, TOMS, IMG and ILAS, to measureatmospheric ozone. TOMS produced a worldwide map of total ozone(*1) in a day. IMG measured the stratospheric and tropospheric ozone
separately and globally in the daytime and at night. ILAS measured thevertical distribution of stratospheric ozone in both northern and southernhigh latitudes where the ozone depletion was most significant. Since
ILAS measured other species related to ozone destruction reactions, its
data are very useful in understanding the detailed mechanism of theozone depletion.
Figure 1 is the southern hemispheric distribution of total ozone on 4
November 1996 as constructed from the TOMS data. It shows the ozone
hole that constitutes the low values of total ozone over the Antarctic
continent. The ozone hole on this day is elliptic in shape, elongating tothe 0 degree longitude. There is a region of large values of total ozone
surrounding the ozone hole. Figure 2 is constructed from the ILAS dataon the same day, exhibiting the height distribution of ozone mixing ratio(*2) along a longitudinal circle at a latitude of 74 degrees South. It isinteresting to see that in the region of 0 to 60 degrees East that is closerある。図 2 は同じ日に得られた ILAS のデータから作成したもので、南緯約 74 度でのオゾン混合比（*2）の高度分布を経度面に沿って示している。オゾンホールの中心部に近い東経 0度から 60 度では、高度 20km から高い処でも、オゾンが少なくなっていることがわかる。
全球気象解析データと化学反応を組込んだモデル（化学・輸送モデルと呼ばれている）をもとにして、ADEOS の観測によって得られたデータと、地上観測によるオゾン全量およびオゾンソンデによるオゾン高度分布のデータとを組合わせ、全地球的なオゾンの 3 次元分布を作成する計画が進められている。オゾンの 3 次元分布データは気象の中期予報モデル、全球気候モデルの入力データとしても使うことが可能で、これによって気象・気候モデルの高度化が期待される。
*1

オゾン全量：オゾン密度の高度分布を高さ方向に積算した量。単位はドブソン単位（DU）で 1DU＝2.687×1023

to the center of the ozone hole, the ozone mixing ratio is lower ataltitudes above 20 kilometers.
The three-dimensional distribution of atmospheric ozone can beconstructed based upon a model incorporating the global meteorologicalanalysis data and the chemical reaction scheme, and by using the ozone
data from the instruments aboard ADEOS, ground-based observations
on total ozone, and ozonesondes on vertical profiles (This model is calleda chemical transport model). The data on three-dimensional distributionof atmospheric ozone will be used as input data for the numerical
weather forecast model for medium range and for the global climate
model, to improve the accuracy of these numerical models.
*1 Total ozone: Ozone density integrated with height from the Earth's
surface to the top of the atmosphere. The unit is Dobson Unit (DU), and1DU = 2.687×1023 molecules/m2*2 Ozone mixing ratio: Ratio of volume density of ozone to the wholeatmosphere at a certain altitude. The unit is parts per million by volume(ppmv).

個／ m2。
*2

オゾン混合比：ある高度における、大気全体に対するオゾンの割合を体積比で表した量。単位の ppmv は 100 万分の1 を表す。

ILAS によって観測されたオゾン分布の 3 次元構造
Three-Dimensional Structures of Ozone Layer Observed by ILAS
ILAS（改良型大気周縁赤外分光計）は、地球を周回するADEOS から見たときの日の出、日の入り時に、地球大気を通過してくる太陽光を分光測定して、地球大気中に含まれるオゾン等の大気微量成分の高度分布を導出するセンサである。ある 1 日をとると、ADEOS は地球を約 14 周することから、ILAS はほぼ同一の緯度線上を、経度方向に約 25 度ずつ西にずれながら、南北両半球でそれぞれ約 14 回ずつの測定を行う。図 2 は、1996 年 11 月 4 日に、南半球の緯度 74 度の緯度線上の 12 地点で ILAS により測定されたオゾンの高度分布を合成して作成した、高度−経度断面上のオゾン濃度（混合比）分布を示している。
この日の ADEOS 搭載の TOMS によるオゾン全量観測データを基に描いた水平分布（図 1）によると、オゾンホールは、南極点から東経 30 度の方向に少しずれて、円形よりは少し延びた形で存在している。この日の ILAS の観測点のほとんどが、オゾンホールの内部に位置していたことが分かる。
ILAS の測定からは、図 2 に示したような高度−経度断面図が毎日 1 枚描かれる。気象官署から提供される毎日の風や気温の空間分布データ（気象グリッドデータ）を用いた流跡線解
析により、複数の異なる日時に測定された ILAS データ（複数の高度−経度断面図）から、ある特定の日時の 3 次元的な分布を構築することが出来る。この手法を用いて、10 月 30 日から 11 月 9 日までの 11 日間のデータを用いて 11 月 4 日のオゾンの 3 次元立体分布を再現した。こうして得られたオゾン立体分布に基づいて、オゾン数密度の高度−緯度断面図を示したのが図 3 である。この図は、経度 0 度と 180 度を通る子午面内のオゾン高度分布を示しており、図の左端が経度180 度, 南緯 30 度、90 度のところが南極、図の右端が経度0 度, 南緯 30 度に相当する。同様に、図 4 は、オゾン破壊が最も大きいとされる極渦（*1）内における高度 15km から20km の水平層内のオゾン数密度分布を示している。
*1極渦：両極の冬季に、極を取り巻く大気の渦ができる。これを極渦と呼ぶ。

The Improved Limb Atmospheric Spectrometer (ILAS) measured
atmospheric constituents when it was looking at the Sun at sunrise andsunset as seen from the satellite while rotating around the Earth in apolar orbit. ILAS detected the sunlight as a function of wavelength tomeasure the transmittance spectrum, giving vertical profiles of ozone andother gases concentrations. As the satellite circled the Earth 14 times aday, ILAS could make 14 measurements over high latitude regions inboth northern and southern hemispheres. Positions of themeasurements made in a day were located along almost the same
latitude band and separated from each other by about 25 degrees.
Figure 2 shows an ozone mixing ratio distribution in an altitude-longitude
cross section, which is a composite of 12 profiles of ozone from themeasurements made on November 4, 1996 along the 74oS latitudinal
circle.
The TOMS instrument on board ADEOS provided a view of total(column) ozone distribution around the south pole (Fig. 1). The ozone
hole seen on the same day as in Fig. 2 was elongated and shifted a little
toward 30oE. Since the ILAS measurements positions were along a 74oS
latitude circle, ILAS looked at the ozone profiles inside the polar vortex on
this day.
ILAS, in principle, provided one altitude-longitude cross-section data a
day as shown in Fig. 2. A three-dimensional pattern of ozone distribution
on a certain day can be reconstructed with a technique called "trajectoryanalysis" when combining meteorological data and ILAS-derived ozone
data obtained for a period of several days. Figures 3 and 4 display an
example of such analyses. The ILAS data inside a polar vortex for 11days (from October 30 to November 9), with an appropriate interpolation,
was used to generate a one-day, three-dimensional distribution patternfor November 4, 1996.
Figure 3 shows an ozone density distribution in a vertical cross-section
along a meridian plane which contains longitude 0o and 180o. The left
end of this image corresponds to longitude 180o and latitude 30oS, central
part, i.e. 90o in the image corresponds to the South pole, and the rightend of this image corresponds to longitude 0o and latitude 30oS. Figure 4
depicts a horizontal ozone density distribution of a layer from 15 km to 20
km altitude inside the polar vortex (*1). It is considered that ozone loss isthe largest in this layer.
*1 Polar vortex: In the winter season for each hemisphere, a large vortex
appears around the pole. This vortex is called a polar vortex.