み地 球 の 大 気 を 宇 宙 か ら 診 る

JEM 搭載超伝導サブミリ波リム放射サウンダ
Superconducting Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounder今、私たちが生活する地球の環境は、健康なのでしょ

SMILESは「きぼう」
地球の大気を診断します
地球に現れた大きな傷口
それがオゾンホール
地球の大気は、病んでいます。身近なところでは大気汚染。自動車や工場からダイオキシンや窒素酸化物などの有害物質が大気中に排出され、私たちの健康にも悪影響を及ぼしています。
そして、最近の地球は、発熱も続いています。地球全体の地表平均気温は、この100年で約0.74℃上昇しました。特に20世紀後半からは、地球がかつて経験したことがないほど急激に気温が上昇しているのです。
そして宇宙から地球を眺めると、大きな傷口が見えてきます。
それがオゾンホールです。
南極上空に出現したオゾンホール（画像提供：NASA）S2008年10月4日のオゾン全量の分布。青がオゾン濃度が低いところ。人工衛星に搭載されたオゾン全量分光計（TOMS）のデータによる。冬、南極大陸の上空には強いジェット気流が渦を巻くように吹き（極渦）、その内側にはオゾンを破壊する物質がたまりやすい。春になりそこに太陽の光が当たると、オゾンの破壊が一気に進む。南半球の春にあたる毎年9〜10月に、オゾンホールは最大になる。

紫外線

F
CI C
フロン

CI CI

オゾン

O
FO
OCI

CI C
CI

塩素原子
酸素分子

O
O
CI

O

一酸化塩素

O
酸素原子

O
O

Tオゾン破壊のメカニズム
フロン（CFCs）などに紫外線が当たると、塩素原子（Cl）が飛び出す。その塩素原子がオゾン（O3）と反応し、オゾンを破壊する。そうしてできた一酸化塩素（ClO）が、オゾンを次々と破壊していく。一酸化臭素（BrO）、塩化水素（HCl）
も、一酸化塩素と同じようにオゾンの破壊にかかわっている。

うか？

から広がる傷口治療の効果は？
オゾンホールの出現に私たちが気付いたのは、1980年代初めです。人工衛星が観測したオゾン濃度の画像を見ると、南極上空のオゾン層にぽっかり穴が開いているように見えます。
オゾン層に穴が開くなんて、いったい誰が想像したでしょうか。
しかも、オゾン層を破壊しているのは、フロンなど人間がつくり出した物質だったとは……。人類の活動が、地球の大気をむしばむ。大気への影響まで考えて行動しなければならない ̶̶
オゾンホールの出現は、私たちにそのことを気付かせてくれました。
しかし時すでに遅く、オゾンホールは年々拡大していきました。
そして1987年、オゾン破壊の原因となるフロンやハロンなどの排出を規制する「モントリオール議定書」が採択されました。
現在では100を超える国が締約しています。規制の効果は徐々に現れ、オゾン濃度の低下は止まったように見えます。

1979年

1985年

TOMSによる南半球のオゾンの観測開始「オゾン層保護のためのウィーン条約」採択▲オゾンホールの変化（10月の平均マップ、データ提供：NAS

生命を守るベール
オゾン層の成り立ち

35

30
成層圏オゾン層をつくったのは、生物です。約28億年前、光合成によっ25て酸素をつくり出すラン藻類が海に出現し、大気中に酸素が増えていきました。そして約4億年前、成層圏にオゾン層が形20成されました。オゾン層は、太陽からやってくる有害な紫外線を吸収します。
そのおかげで、生物は海を出て、陸でも生活できる （km）ようになりました。太陽系の中に、オゾン層をもつ惑星や衛星
15は、ほかにありません。地球を生命あふれる星へと変えたのは、オゾン層なのです。

オゾン層

高度

10

大気圏の構造とオゾン濃度 S

対流圏

5

地球を覆う大気は、地表から約100km上空まで広がっている。雲や雨などの気象現象は、高度15kmくらいまでの対流圏で起きている。その上が成層圏で、オゾン濃度が高い高度領域を「オゾン層」と呼ぶ。

0
オゾン濃度

高（WMO, 2006を改変）

5

中・低緯度にも症状がオゾン全量の変化量

0

人が多く住んでいるのは中緯度です。私たちの日本もあります。
中・低緯度のオゾン濃度も低下傾向にあることが分かっています。生命を守ってきたオゾン濃度が減少したら……。有害な紫-5
外線が地上に降り注ぎ、皮膚がんや白内障、免疫機能の低下を起こす人が増えるといわれています。オゾン濃度の減少は遠く離れた南極での出来事ではなく、私たちの生活に直接か （DU）-10かわる問題なのです。
-15
1964

1970

1976

1982

1988

1994

2000

2006

（WMO, 2006を改変）▲中・低緯度（北緯 60 度から南緯 60 度）のオゾン全量の変化
T 中・低緯度のオゾン全量の分布（2008 年 10月4日、データ提供：NASA）
オゾン全量の分布（左）ではオゾンホールが発生する高緯度（極域）
ほどの劇的な低下は見えにくいが、変化を示すグラフ（上）では緩やかではある
ものの全球的に年々オゾン全量が低下していることが分かる。

1987年

1992年

1997年

「オゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書」採択。
1989年より規制開始。

「モントリオール議定書」締約国会合で「コペンハーゲン改正」採択。規制物質の追加と全廃前倒を議決。

気候変動枠組条約に基づき「京都議定書」採択。代替フロンであるHFCs、PFCsが規制対象に。

2003年

2007年
100以下

200300400
ドブソン単位

500以上

SA）

オゾン層の回復状況を見守る
オゾン濃度の回復時期については、さまざまな大学や研究機関が予測を出していますが、ばらつきがあります。それは、フロンやハロンから生じた塩素や臭素がオゾンの破壊にかかわっていることは分かっているものの、破壊メカニズムの理解がまだ不十分だからです。
また、現在進行している地球温暖化がオゾン濃度の回復にどのような影響を及ぼすのかも、よく分かっていません。オゾン破壊物質の排出を規制し、オゾン濃度の回復をただ待つだけでなく、私たちには回復の状況を見守り続ける責任があるのです。
その一翼を担うのが、SMILESです。SMILESは、国際宇宙ステーションの「きぼう」に取り付けられ、宇宙から地球の大気を観測します。

Tオゾンホールの推移予測（数値計算結果提供：国立環境研究所）
オゾンホールが出現していなかったころの状態に戻るのは、この予測では2050年ごろとされている。
（10月の平均マップ）

1980〜1989 年

2000〜2009 年

2020〜2029 年

2040〜2049 年

視線の先には地球
ターゲットは中・低緯度

国際宇宙ステーション軌道
約90分で地球を1周

SMILESの「L」は「Limb」で、「縁」という意味です。SMILESは、アンテナを地球の縁に向けて、大気中の微量分子が放射するサブミリ波をとらえます。国際宇宙ステーションは、約90分で地球を1周します。SMILES
は、1周で約100点、1日で約1600点の観測を行います。観測範囲は、北緯65度から南緯38度の間です。アンテナを上下に動かし、微量分子の高度分布を精度よく観測します。高度分解能は約3kmです。SMILES
は、国際宇宙ステーションで行われるたくさんのミッションの中で、かけがえのない地球の大気環境を観測する重要なミッションです。
SMILESの観測点
高度10〜60km
53秒ごと（360km間隔）に1周期約100点、1日約1600点

SMILES が見つめるもの
SMILESは、成層圏のオゾン量を、これまでにない高精度で観測します。
高精度な観測は、超伝導ミクサという新しい技術を使い、装置を絶対温度4K（マイナス269℃）まで冷却することで実現させます。
これは、世界初の試みです。
また、オゾンの破壊にかかわっている一酸化塩素（ClO）、一酸化臭素（BrO）、塩化水素（HCl）など、10種類以上の分子を同時に高精度で観測します。
このような観測は世界初で、さまざまな分子がかかわるオゾン破壊のメカニズムの理解が進むと期待されています。

CIO

O3

SMILES
HCI

BrO

地球大気の層TSMILESは、宇宙ステーション補給機「HTV」実証機に搭載して、H-ⅡB
ロケッ
トによって打ち上げられ、国際宇宙ステーションと「きぼう」のロボットアー
ムを使って「きぼう」船外実験プラットフォームに取り付けられます。SMILESと宇宙環
は「きぼう」第1期利用テーマとして、全天X線監視装置（MAXI）とともに、船外実験プラットフォームから境計測ミッション装置（SEDA-AP）の観測を行います。

国際宇宙ステーションからの地球観測ミッション

SMILESにはアンテナ駆動制御系

世界最先端の技術が詰め込まれています

電波分光系
サブミリ波アンテナ鏡面部
大気中の分子から放射されたサブミリ波は、まずサブミリ波アンテナによって集められ、絶対温度4K（マイナス269℃）まで冷却された超伝導ミクサによって検出されます。その信号を電波分光計によって分光スペクトルに変換します。分光スペクトルから分子の種類とその存在量が分かります。

信号処理制御系

中間周波数変換増幅系

姿勢検出系▼ SMILESの4K 級機械式冷凍機

ヘリウム圧縮機
受信機クライオスタット

世界初！4Kの極低温にまで冷却して観測雑音を抑え、高感度の観測を実現するために、SMILESは、機械式の冷凍機によって超伝導ミクサを4K（マイナス269℃）まで冷却します。この技術は、地上からの電波天文観測などで使われていますが、宇宙空間で使用するのはSMILESが世界で初めてです。この冷凍機は、高い冷却能力を持ちながら、重さ90kg、消費電力270Wと、小型・低消費電力を実現しています。

▲ SMILESの超伝導ミクサと超伝導デバイス（右）

新技術「超伝導ミクサ」
で高感度観測を実現！
SMILESは、大気中の微量分子が発するサブミリ波を受信機でとらえます。
しかし、その信号はとても弱いので、雑音を最小限に抑えなければなりません。
また、サブミリ波は電波の中で最も周波数が高いため、取り扱いがとても難しいという問題もあります。
そこで、SMILESの受信機には、「超伝導ミクサ」という新しい技術を採用しました。
電波天文観測で使われる超伝導技術を利用したもので、理論的な限界に迫る低雑音を実現しています。この超伝導ミクサの心臓部である超伝導デバイスは、国立天文台野辺山宇宙電波観測所で製作されました。

「きぼう（」 JEM）搭載 SMILES 基本仕様

大きさ

1.85m×1m×0.8m、約 500kg

取り付け場所

国際宇宙ステーション
（ISS）
「きぼう」
日本実験棟 船外実験プラットフォーム＃3ポート

観測領域

高度：10〜60km

観測周期

1 周約 90 分のISSの周回軌道に沿って53 秒ごとに約 100 点（360km 間隔）
で観測

高度分解能

ビーム幅：0.096°（3.5〜4.1km＊）
サンプリング間隔：0.056°（2.1〜2.4km＊）
高度の決定精度：バイアス誤差 約 0.76km
ランダム誤差 約 0.34km

緯度：北緯 65°〜南緯 38°＊ISSの高度を407kmとして計算

周波数と観測分子

Band-A：624.32〜625.52GHz
O3、O3 同位体、HCl、HOCl、HNO3、CH3CN、BrO、SO2
Band-B：625.12〜626.32GHz
O3、O3 同位体、HCl、HO2、SO2
Band-C：649.12〜650.32GHz
ClO、O3 同位体、HO2、HNO3、BrO、SO2
うち2つのバンドを同時に観測可能

スペクトル

周波数分解能：1.8MHz チャンネル数：1728

分子輝線の検出感度

20K 以下の輝線に対して約 0.7K
200Kの輝線に対して約 1.0K
積分時間を1ユニット（0.5 秒）として計算

分子濃度の決定精度

オゾン
（O3）
：＜5％
（15〜60km）、＜1％（〜30km）
塩化水素（HCl）：＜10％（15〜50km）
一酸化塩素
（ClO）
：＜30％
（25〜50km） など

開発機関
宇宙航空研究開発機構
情報通信研究機構

協力機関
国立天文台
東京大学
大阪府立大学

京都大学
名古屋大学
東邦大学

独立行政法人

独立行政法人宇宙航空研究開発機構

情報通信研究機構〒305-8505 茨城県つくば市千現2-1-1 筑波宇宙センター
TEL：029-868-3074（ISS広報代表） FAX：029-868-3950
JAXAホームページ http://www.jaxa.jp
宇宙ステーション・きぼう広報・情報センターホームページ http://iss.jaxa.jp/
SMILESホームページ http://smiles.tksc.jaxa.jp〒184-8795 東京都小金井市貫井北町4-2-1
TEL：042-327-7429（代表）
NICTホームページ http://www.nict.go.jp