北海道大学低温科学研究所
技術部技術報告第 29 号

2023 年 12 月

表紙の写真：ノシャップ岬にあった短波海洋レーダ局

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低温科学研究所の短波海洋レーダー局は 2003 年 3 月北海道総合通信局
より実験局（のちに実験試験局）として無線免許が与えられ同年 8 月より運用開始となりました。宗谷海峡域（ノシャップ岬局、宗谷局、猿払局）と紋別沖（雄武局、紋別局）の 5 局で研究観測を開始しましたが、2023 年

3 月、5 局全てが研究観測終了し、廃局となりました。
この研究観測が行われていた 19 年間、我々技術部は、春夏年 2 回、3 日かけてこれら 5 局の無線設備の保守点検（ソフトバージョンアップ等）、局
舎外装メンテナンス、局舎周辺の環境整備などを行っていました。この業
務はフィールドワークの楽しみもあり、研究所での日常業務のマンネリを払拭してくれました。（本文 p.29）
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北海道大学低温科学研究所
技術部技術報告第 29 号

2023 年 12 月

2023 年度技術報告会開催に寄せて

第 29 回低温科学研究所技術部技術報告会を本日開催させていただきます。日頃より技術部にご支援をいただいている皆様方に、心より感謝申し上げます。
本報告会は、技術部職員にとっては、所内外の数多くの教員や学生の皆様と議論を直接交わすことができる、大変重要な行事です。技術部職員にとっては、自らの技術が所内外の皆様の研究にどのように活用されているのかを実際に知ることで、技術者として大きなやりがいを感じることができます。また、今後どの様な技術を皆様がさらに必要とされているのかを知ることは、技術研鑽を積むための大きな励みになります。さらに、所内外の皆様には技術部が提供できる様々な技術をより多く知っていただき、皆様の研究のさらなる発展につなげていただければこれほど嬉しいことはございません。この報告会が実り多いものとなります様、活発にご議論いただけます様お願い申し上げます。
低温研では寒冷圏にまつわる物理・化学・生物など大変幅広い分野の研究が行われています。そのため、技術部は機械工作のみならず、電気・電子工作、情報処理、情報発
信、生化学分析、フィールドでの様々な調査など数多くの研究支援業務を行っています。
これほど多岐に渡る業務を高いレベルで遂行できる技術部は、国内の大学や研究所を見渡しても極めて稀です。これらの技術部の研究支援に支えられて、低温研では大変ユニークで優れた研究業績を出すことが初めてできます。私ども技術部は、皆様のご要望に合わせてさらに技術を高度化するとともに、技術の幅をより広げて行くべく研鑽に努めて参ります。今後とも技術部に対するご支援とご鞭撻を賜ります様、何卒よろしくお願い申し上げます。
最後になりましたが、技術部報告会にご寄稿いただきました方、ご発表いただけます
方、ご出席の方に厚くお礼申し上げます。本日は何卒よろしくお願い申し上げます。

2023 年 12 月 1 日
技術部長 佐﨑 元

目次
1. 欧州の航空機で得られる微小重力下での気相からの核生成実験用の装置開発と速報
結果
木村 勇気、森 章一、斎藤 史明、屋嶋 悠河、平川 靜、山﨑 智也、稲富 裕光 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. 南極海における鉄測定のためのクリーンコンテナラボおよび CTD システムの構築
小野 数也、西岡 純、村山 愛子、森 章一、佐藤 陽亮、藤田 和之、
斎藤 史明、平田 康史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3. 南部オホーツク海における定線観測と係留系観測の実施
西岡 純、小野 数也、村山 愛子、中村 知裕、藤尾 伸三、柳本 大吾 . . . . . . . . 24

4. 短波海洋レーダを用いた宗谷暖流の長期連続観測
江淵 直人、深町 康、大島 慶一郎、三寺 史夫、西岡 純、高塚 徹、
小野 数也、石川 正雄、大坊 孝春、白澤 邦男、若土 正曉 . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5. 雪氷試料の 1 mm 空間分解能の連続密度測定
飯塚 芳徳、齊藤 健、森 章一、平田 康史、斎藤 史明、佐藤 陽亮、
堀 彰、的場 澄人、藤田 秀二 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6. 永久凍土上のトウヒ疎林における自動開閉チャンバーによる土壌呼吸測定
甘田 岳、伊川 浩樹、渡辺 力、森 章一、斎藤 史明、
藤田 和之、小林 秀樹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

欧州の航空機で得られる微小重力下での気相からの核生成実験用の装置開発と速報結果
木村 勇気 1 、森 章一 2 、斎藤 史明 2 、屋嶋 悠河 1 、
平川 靜 1 、山﨑 智也 1 、稲富 裕光 3
1. 雪氷新領域部門低温ナノ物質科学研究分野
2. 技術部装置開発室
3. 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所

1. はじめに
これまでに日本の航空機を用いて得られる微小重力環境下で金属や酸化物、炭化物のナノ粒子の核生成実験を行ってきた （木村ら 2016; Kimura et al. 2018）。その後、得られた結果を元に微小重力の質がより高い観測ロケットを用いた微小重力実験を行うこと
で、精度の高い物理量を決定し、宇宙の塵 （ダスト） の形成過程に迫ってきた (Kimura etal. 2017; 2022; 2023; Ishizuka et al. 2018)。次のターゲットとして我々は、氷ナノ粒子の物理量を決定し、その生成過程を明らかにするために、日本の航空機を用いた微小重力実験を 2021 年度と 2022 年度に行った （木村ら 2022）。実験は予定通りに上手くいったが、液体窒素やドライアイスを搭載することができなかったために、−51 ℃の保冷剤を用いた冷却しか行えず、実験は限定的な温度範囲に留まった。そこで、より低温側で実験を行うために、海外の航空機を用いた微小重力実験の実施を計画した。本稿では、2023 年
9 月に行った欧州での航空機を用いた微小重力実験の様子を報告する。
2. プロジェクトの目的
本研究では、宇宙ダストに最も重要な粒子サイズ （数十 nm）、かつ、過飽和環境下で氷の宇宙ダスト （氷ナノ粒子） の核生成実験を微小重力環境下で行うことで、核生成理論によるダスト生成の予測に必須の氷ナノ粒子の二つの物理量 （付着確率と表面自由エネル
ギー） と核生成経路を決定することを最終目的に据えた。

3.実験までの流れ
3.1 欧州における航空機実験の採択まで
これまでにアメリカとヨーロッパで航空機を用いた微小重力実験を実施できると聞き、
まずは 2022 年 9 月 1 日にフランスの Novespace 社にコンタクトを取った。その結果、Novespace 社 の 航 空 機 実 験 は 、 主 に ヨ ー ロ ッ パ の 宇 宙 機 関 で あ る 、 欧 州 宇 宙 機 関（ European Space Agency; ESA） 、 フ ラ ン ス 国 立 宇 宙 研 究 セ ン タ ー （ Centre nationald'études spatiales; CNES）、ドイツ航空宇宙センター（Deutsches Zentrum für Luft- undRaumfahrt; DLR）から予約を受けて年 4 回（それぞれ、2 回、1 回、1 回）実施しており、

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これらの機関による公募に申請することで欧州の研究機関との共同研究として、費用を直接払うことなく実施できると回答を得た。また、欧州に共同研究者がいない場合には、これらの機関と交渉することで、スペースの一部を利用できる可能性があり、その際の費用は搭載実験装置の重量やスペース、電力、搭乗人数によるが、1 − 2 千万円で実施できることが分かった。この金額は輸送費や旅費を考慮しても日本で実施するのと同等か、より安価な金額である。
宇宙航空研究開発機構 （JAXA） と DLR との国際協力による観測ロケットを用いた微小重力実験を実施する際に、ドイツ側の共同研究者として協力して頂いたブラウンシュ
ヴァイク工科大学の Jürgen Blum 氏にコンタクトを取ったところ、航空機実験に関しても共同研究者として協力してもらえると快諾を得た。Blum 氏から DLR の担当者 （Katrin
Maria Stang 氏） を紹介してもらい、実験計画を直接説明した後に、9 月 30 日に提案書を提出した。その際に提示されたスケジュールは下記の通りである。
2022 年 10 月中旬：DLR と web 会議
2022 年 12 月末：実験提案の選定
2023 年 9 月 4 日：Novespace 社に実験装置到着
2023 年 9 月 2 – 15 日：パラボリックフライトキャンペーン
実際に 10 月 13 日に web 会議を行い、その際に指示された実験の詳細を記載した
Experimental Safety Data Package (ESDP) と呼ばれる文書を 10 月 26 日に Novespace社に提出した。その後も何度かやり取りし、最終的に 12 月 12 日に採択通知を受け取った。ESDP は実験の直前まで改定が繰り返され、最終的にはサインを付して実験の実施となった。スムーズに採択されたのは、DLR との国際協力で実施した観測ロケット実験で成果を挙げていたためであると考えている （Kimura et al. 2023）。DLR は成果が挙がっている研究や、将来性の高い研究には積極的に投資する印象がある。
12 月 15 日に Novespace 社の技術者 Thomas Villatte 氏から、我々の実験を担当することになった旨と、PDF ファイル 10 個、計 468 ページの詳細なハンドブックが届いた。
それを元に 1 月 2 日までに ESDP の改訂を行い、通常対面で行う最初の打合せをオンラ
インで 1 月 13 日に実施した。そして、実験装置に求められる安全上の要求が多岐に渡っており、Villatte 氏に我々の実験内容をより良く理解してもらう必要もあり、さらに現場の様子を知っておくことは、現地での実験準備に欠かせないことから、著者の木村は 1 月
31 日にフランス、ボルドー空港に隣接した Novespace 社を訪れ、施設を見せてもらうと共に丸一日議論を行った。
日本で航空機実験を実施した時と同様の実験装置の構成、配置を踏襲するつもりで実験装置のデザインと購入に必要な物品リストの洗い出しを始めたが、1 月 31 日のボルドーでの会合以降、Novespace 社から安全基準を満たすだけでなく、フライト中の実験
操作をより簡便に、より安全に行うための意見が毎週のようにいくつも届いた。また、
ESDP に加えて、FDT （高圧システムの耐圧検討資料）、TET （指摘事項リスト）、メカニ
カルチェックリスト、リスクチェックリストを用いて様々な角度から装置の健全性と安2

全性が確認された。我々は実験を実施する為の塩梅が分からなかったこともあり、対応可能な提案を受け入れた結果、最終的には搭載装置は全く異なる形となった （図 1）。日本との大きな違いは、スペースと重量の制限が小さい点にある。そのため、実験操作や安全性の向上は、実験装置の大型化や重量の増加よりも遥かに優先された。

図1

航空機および我々が搭載した実験装置の日欧の比較。A. 日本で微小重力実験に使用される航空機 MU-300。三菱重工業と米国現地法人三菱アメリカ・インダストリー社が開発した数名乗りのビジネスジェット機。 B. MU-300 の機内に搭載した我々の実験装置。左が干渉計で右が赤外線スペクトル測定装置。機内スペースが限られるため、個別に写真を撮影した。 C. フランスでの微小重力実験で使用される航空機エ
アバス A310。座席数を 200 席強とした旅客機として開発された機体。 D. 今回の実
験で A310 に搭載した我々の実験装置。右に見えるシルバーの Box （Zarges box）内に干渉計と赤外線スペクトル測定装置が共に組み込まれている （図 7 参照）。

3.2 日本におけるフロントローディング研究の採択まで
本プロジェクトは、JAXA 宇宙科学研究所 （宇宙研） に設置されている宇宙環境利用専門委員会が将来の宇宙プロジェクトに繋がる研究を後押しするために行っている、フロントローディング研究の枠組みで推進している。3 年を目途に終了することが求められており、毎年成果報告と翌年度の公募への申請が必要である。我々は 2021 年度と 2022 年
度の 2 年間、同専門委員会の予算を用いて日本で航空機実験を行っており、今年 （2023 年度） は 3 回目となる。2023 年度分の募集は 2023 年 3 月 17 日に締め切り、ヒアリングを経て 4 月 25 日に採択通知を得て、4 月 28 日から予算が使えるようになった。この時点
で、Novespace 社からは引き続き改善案が届いている状況であったが、輸送まで 4 カ月
弱、その事務手続きまで 3 カ月程度しかなかったため、確定している物品の購入や装置

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の組み立てから始めた。特に、日本から輸送できなかったり、適切な代替品が見つからなかったりした以下の物品は現地で購入する必要があり、事務手続きなどに日数を要することが見込まれたため、すぐに発注作業を進めた：ガス （アルゴン、窒素、アルゴンと 20 %の酸素混合、アルゴンと 3 %の水素混合）、液体窒素、低温用の恒温槽、指定された不燃性の緩衝材 （ArmaFlex XG, Armacell）、エタノール。
フランスの業者に英語のメールを送ると、返信は多くの場合フランス語であり、見積書
や請求書は例外なくフランス語で届いたので、事務に提出する際の翻訳対応を含めて予想以上に時間を要した。
宇宙研のフロントローディング研究の採択時点で、Novespace 社からは 6 月 12 日に実験デザインを凍結する必要があると伝えられており、以下のスケジュールが見込まれた。
2023 年 6 月 30 日：北大輸出許可申請
2023 年 8 月 7 日：カルネ申請
2023 年 8 月 21 日：実験装置発送
2023 年 9 月 4 日：ボルドーにて実験開始
実験デザインの凍結までにいくつかテストが必要な項目もあったことから、急ピッチで発注作業と各種テスト、および確定した装置から製作を始めた。

3.3 フロントローディング研究の採択から実験場に到着するまで
日本の航空機実験では、JAXA の資産となっている安全基準を満たしたラックに装置を組むこととされている （図 1B）。サイズは決まっており、事前に送られてくるため、実験装置はラックの上に直接組むことになる。当然その中に収める必要があり、事前に実験室で確認会が開催され、改善点などが指摘される。
これに対して、欧州での実験においては事前に用意されたラックはなく、Bosch 社のフレームを用いて任意サイズのラックを作ることになる。設計段階でラックの重心位置と重量の関係から、安全基準に適合しているかどうかが判断され、Novespace 社から承認されてから作ることになる。そこでまず、搭載機器と Bosch フレームで組むラックのサイズを決めた。
低温チェンバーを用いた氷の核生成実験においては、なるべく低温で実験を行いたい
ことから、−51 ℃に融点を持つ保冷剤を用意し、低温チェンバーと共に保冷バックに入れて航空機に搭載することにした （この保冷材の搭載は 6 月 12 日に承認された）。離陸時には、4 台の低温チェンバーのうち 1 台はドライシッパー （Dry Shipper, CXR500,
MiTeGen；図 2A） に入れておき、残りの 3 台は 3 つの保冷バックにそれそれ入れることにした。保冷バック 1 個あたりの重量は 12 − 16 kg と重いために、専用の Bosch フレー
ムを組んで搭載することになった （図 3）。

4図2

低温チェンバーを冷やすためのドライシッパーと呼ばれる凍結試料搬送容器と低温
チェンバー固定用の治具。 A. ドライシッパー （Dry Shipper, CXR500, MiTeGen）
本体。主に凍結試料を航空機で輸送するために用いられている。 B. 冷却効率を高めるために下面にファンを取り付けたドライシッパーの蓋 （左） と低温チェンバー
および固定用治具 （右）。

図3

黒い緩衝材を付けた Bosch フレームに搭載した低温チェンバーを予備冷却するためのクーラーバッグ 3 個。

保冷剤を凍らせるために −60 ℃の冷凍庫を購入した。フランスにもこの冷凍庫を輸送するつもりでいたが、6 月 28 日に冷凍庫は輸送できないことが分かり、フランスでレンタルすることになった。以下、日を追って代表的な作業内容を記す。
6 月 28 日：Novespace 社から現地での実験準備の予定を報告するように求められ、現地作業に必要な日数や参加者数などを伝えた。
7 月 4 日：日本商事仲裁協会の Web サイトから、カルネ電子申請システム利用に係る登録を始めた （7 月 18 日承認）。また、ノート PC を送るために輸送業者に Li イオンバッ
テリーの安全データシートを送った。輸送に係るカルネの申請は、物品リストを完成させて 8 月 4 日に行い、承認済みの原本は 10 日に届いた。

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図 4

実験室の風景と我々の荷物。他のチームとは仕切り板で区画分けされている。左側
や手前では別のチームが準備を進めている。すぐ右手にはシャッターがあり、準備のできた装置から、このシャッターを通って航空機に運ばれた。（i） 真空排気装置、（ii） 実験用物品の入った箱、（iii） 制御・記録計搭載ラック、（iv） 干渉計と赤外線ス
ペ ク ト ル 測 定 装 置 の 入 っ た Zarges box 、 （ v ） レ ン タ ル し た 恒 温 槽 （ Climaticchamber, TH-011, AMTC, Ruy, France）、（vi） 高温チェンバーを格納した Pelican
ケース （図 9 参照）。

7 月 20 − 27 日：Novespace 社から指定された様式で健康診断を受けた。問診と心電図が主であり、英語の健康診断書に対応している病院を探して受診した。血圧や尿検査などの項目がある日本よりも、項目数は少ない代わりに医師が問診で判断すべき説明の詳細が示されていた点に大きな違いがあった。
7 月 27 日：Novespace 社から実験室の使用方法や注意事項に関する書類が届いた。また、フランスで購入する製品の進捗状況を確認したところ、エタノールの発注には注文書を送る必要があると言われ、すぐに準備して送った。8 月 2 日に注文の確認書が届き、税金の支払いに関する申請を Villatte 氏の助けを借りながら翌 3 日に web ページから行った。税金の支払い免除が認められるのには時間が必要であり、フランスの業者は税金の支払いを伴う販売を行っていないとのことで、結局購入することはできなかった。そのため、他研究チーム （PI: Niklas König 氏） からエタノールを分けてもらうことで解決した。
8 月 4 日：装置の発送は 8 月 9 日になったと輸送業者 （サンキュウエアロジスティクス株
式会社） から連絡を受け、ここから技術部全体の協力を得て最後の仕上げ作業を行った。最終的には、真空排気装置（94.0 kg：図 4i）、実験用物品（134.5 kg：図 4ii）、制御・
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図 5

航空機実験で用いた核生成チェンバー。 A. 低温チェンバー。黒矢印は圧力計用のヒーター、白矢印はビューポート用のヒーター。白矢印先端部の黒い部品がサーモスタットで、一つのヒーターに 4 つの抵抗が付いている。 B. 高温チェン
バー。

記録計搭載ラック（127.0 kg：図 4iii）、Zarges box（図 4iv）およびクーラーバック固定用ラック（170.0 kg：図 3）の 4 点を発送した。17 日に輸出許可が下り、カルネ委任状
を輸送業者に送った。22 日に Novespace 社から、これらの装置を受け取ったと連絡があった。また、実験装置を発送して以降も ESDP の改訂作業は日本を経つ直前の 8 月
30 日まで続き、特に実験手順について詳細をやり取りした。
8 月 23 日：今回の第 41 回 DLR パラボリックフライトキャンペーンに参加する 11 の研究課題から、我々の Ice-DUST 実験がプレスリリース時のハイライト実験に選ばれたと連絡を受けた。リリース用の紹介文案はドイツ語であったために、ドイツ側の共同研究者である Blum 氏の協力を得て確認した。
8 月 28 日：ガス 4 種が Novespace 社に納品になったと連絡を受けた。また、ランチの注文書が届き、最初の週のランチを注文するように言われ、30 日にオーダー表を提出した。
8 月 30 日：安全教育に関するスライドと動画が届き、現地入りまでの間に熟読した。

4. 実験条件の選定と装置の組み立て
Novespace 社やフランスの安全や法律の基準の中で、特に取り扱いを議論した液体窒素、ガスおよび真空装置、レーザー、制振装置に関して以下にまとめる。

4.1 液体窒素
議論を重ねた後に、液体窒素は密閉された状態でしか認められないということになった。つまり、低温チェンバー （図 5A） と液体窒素容器をチューブでつなぎ、実験前にバルブを操作して液体窒素を低温チェンバーに供給するというものである。Novespace 社の航空機実験では、1 回のフライトで 22 秒程度の微小重力環境が 31 回得られる。我々は低温チェンバー4 台と高温チェンバー （図 5B） 8 台を搭載して、微小重力の間にチェンバーを交換することで干渉計装置と赤外線スペクトル測定装置に対してそれぞれ 6 台ず

7つ用いることを考えていた。このまま Novespace 社のルールに従うと、低温チェンバー
をそれぞれ 1 台ずつしか搭載できない。方策を検討していた所、Novespace 社から代替案としてドライシッパーと呼ばれる凍結試料搬送容器 （図 2A） の使用を提案された。これはゼオライトのような吸着剤に液体窒素を吸着させることで、試料を液体窒素温度に保ったまま航空機で輸送できる容器である。この容器を傾けても液体窒素はでてこない。
また、試料を液体窒素温度に 3 日間程度保つことができる。ひとまず最大サイズのドラ
イシッパーをレンタルしてテストした所、低温チェンバーが丁度収まるサイズで、冷却も問題ないことを確認できた。
低温チェンバーには小型の真空計が設置されており、内部にオイルが使われていることから、固化を防ぐために技術部で専用のヒーターを用意した （図 5A）。また、低温にした後に実験装置に搭載するまでの間にビューポートが結露するのを防ぐため、技術部で専用のヒーターを製作した。これらのヒーターは 10 ℃を下回ると約 1A の電流 （10W）
で発熱する仕様である。Novespace 社からは、温度センサーが故障した際の過加熱でどのような事態が生じるかテストを求められ、6 月 30 日に到達温度と部材が溶けないことを確認、報告した。さらに、ドライシッパーから低温チェンバーの出し入れを容易にする
ために、技術部で専用の治具を製作した （図 2B）。航空機内でこの作業を行う際には低温に対応した手袋の着用を求められ、−196 ℃に対応した手袋 3 双を用意した。

4.2 高圧ガスおよび真空装置
チェンバー内に準備した蒸発源を加熱することで生じる高温の気体から核生成を経てナノ粒子を形成するためには、蒸発気体の平均自由行程を小さくする必要がある。そのため、チェンバーにはアルゴンや窒素などを導入する。また、酸化物を作る際には酸素を導入したり、宇宙におけるダストの生成過程を知るには水素を混ぜたりする。日本では、それぞれの高純度ガスを用意して任意の濃度に調整したうえで実験を行っている。これに対し、Novespace 社では酸素や水素を用いる場合には予め混合ガスを用意するように要求された。酸素の濃度は空気と同程度以下にすることが求められ、アルゴンに酸素を 20 %
混合したガスを発注した。水素濃度は常に爆発限界以下に保つ必要があり、アルゴンに2 %の水素を混合したガスを発注した。高圧ガスボンベの規格は国や地域によって異なる
ため、合わせて減圧器を購入した。減圧器の見た目 （構成） は日本やアメリカとはかなり違っており、説明書に詳細な記載もないために、使用の際に試行錯誤が必要であった。
真空装置は高真空に対するリークが無いことが必須であり、1 気圧以上の圧力になることは通常想定していない。高圧ボンベと真空装置の間には減圧器が付いており、その二次側の圧力を調整してからバルブを開けてガスを導入するので、真空装置が 1 気圧を超えるようなことが起こり、事故に至る事は考えにくく、これまでにそのような事故も聞いたことはない。この我々の感覚とは異なり、真空装置全体に高圧に対する耐性が担保されることが要求された。真空装置 （図 6） のすべての部品の型番と datasheet、または web サ
イトなどを示す必要があり、Novespace 社で各部品の耐圧が調べられた。ステンレス製

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の部品については、明らかに数気圧は問題ないであろうが、真空用ということもあり、一部は耐圧の記載がなかった。そのために、Novespace 社から高圧試験を求められた。減圧器と真空装置の間に別途リークバルブを用意し、その設定圧力に 0.5 気圧を足した 1.5
倍の圧力まで耐えられることが、高圧試験をクリアする条件であった。そこで、リークバ
ルブの圧力を 1 気圧に設定し、 2.25 気圧の加圧試験を行った （6 月 13 日）。核生成チェ
ンバーに対しても同様の試験が求められた。核生成チェンバーにはビューポートが付いており、真空装置と核生成チェンバーは 1 / 4 インチのパイプを O-ring でシールするウル
トラトールを使用して繋ぐために若干心配もあったが、無事に 2.25 気圧を耐えた。

図6

真空装置に 4 つの高圧ガスボンベをつないだ様子。

4.3 レーザー
日本で行う航空機実験では、干渉計は既存のラックに搭載され開放系になっている（図 1B）。そのため、核生成チェンバーの交換作業と、その中に用意する蒸発源をレーザーと平行にするアライメント作業を容易に行うことができた。これに対して Novespace 社
では、レーザーの光は散乱光を含めて見えることのないように要求された。議論の末、開放系は諦めて干渉計装置は赤外線スペクトル測定装置と共に、Zarges box という安全審査をクリアしているアルミ製のケース （図 7） に収めることになった。これにより、微小重力前後の水平飛行時に核生成チェンバーを交換したり、アライメントを行ったりすることが難しくなった。また、Zarges box の外側にキースイッチを用意し、外からレーザーの電源を切ることができるように求められた （7 月 4 日）。
加えて、箱の蓋を開ける際にレーザー照射が停止するように求められた。レーザーに電力を供給してから安定化するまでに数分程度の時間が必要であることから、赤と緑それぞれのレーザーの出射口直後にシャッターを用意することで、レーザーの電源を切ることなく蓋を開けた際にはレーザー光が見えなくなるようにできた。

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図 7

Zarges box という安全審査をクリアしているアルミ製のケース。 A. 蓋が閉じている所。手前の天板と奥の正面にはレーザー照射を示す赤いランプが見られる。B. 蓋をあけた所。左側に干渉計、右側に赤外線スペクトル測定装置を搭載するためのベー
スプレートが設置されており、中央にトルクレンチの入った垂直プレートが設置されている。 C. 垂直プレートの拡大写真。 D. 実験装置が入っている様子。

図 8

今回の航空機実験のために開発した、干渉計用の制振装置。 A. 制振装置のベー
スプレート。ベースプレートを置くための黒いダンパーは切れ込みに入っており、干渉計をベースプレートに固定する際にはダンパーが潰れてトルク管理することができる。 B. 干渉計を載せる中間プレートと、制御装置などを載せる上部プレート。

シャッターは電磁スイッチを蓋の左右 2 箇所に設置することで駆動した。上蓋に設置した磁石が下のスイッチに触れるとシャッターが開く仕組みである。2 個用意するのは、
1 つに不具合が生じてもシャッターが適切に動作するようにとの、Novespace 社の安全10

要求による。この安全要求では、怪我などのリスクのある機器や操作には 2 つの安全装置を用意し、死亡のリスクのある機器や操作には 3 つの安全装置を設置することになっている。前述の液体窒素や高圧ガスも同様の基準に従っている。
実験時に核生成チェンバーを交換した後には、必ずアライメントが必要になる。そのため、Zarges box 全体を暗幕で覆い、実験者 1 名がその中で蓋を開け、保護メガネを付けたうえで磁石を電磁スイッチの上に置いてシャッターを開けてレーザー光を射出した。
モニタは制御・記録計搭載ラックにしか搭載していなかったので、カーテンから顔だけ出しながらアライメント作業を行った。
4.4 制振装置
干渉計は振動に対して非常に敏感なため、地上では空気ばね式の光学防振台の上に干渉計を組み、実験を行っている。日本の航空機を用いた実験では、JAXA が用意した制振装置を用いることができる。当初はこの制振装置を借用することを考えたが、思いのほか手続きが大変であることと、Novespace 社の安全要求を満たせないことから、技術部の協力で改めて独自の制振装置を製作した （図 8）。
微小重力実験用の制振装置では、微小重力中に干渉計を浮かせることで振動を低減する。ここで、微小重力中の重力加速度はあらゆる方向に変化することから、浮いている際にどこかに飛んでいくことのないように、移動範囲を制限する必要がある。また、微小重力終了後には下向きに 2 G 近くの重力加速度が掛かることから、実験装置は下に叩きつけられることになる。そこで、Zarges box 内に固定されたフレームの上にベースプレー
トを設置し、重量を小さくするために中央を抜いて、衝撃吸収用のダンパーをぐるりと 1周配置し （図 8A）、四隅にロッドを立てた。干渉計を載せる中間プレートの四隅に直径 25mm の孔を用意し、M8 ボルトをロッドとして用いた （図 8B）。微小重力中、干渉計はこの孔の範囲内で自由に浮遊することができる。地上では、4 本のロッドに取り付けた特製の大きなナットを回すことで、干渉計プレートをベースプレートに固定した。
Novespace 社の安全要求では、航空機の離着陸の際には機首方向に 9 G（加えて 50 %のマージン）の重力加速度が加わっても耐えられることと、上空で緊急事態が発生した際に1 分以内に着陸態勢にできることが求められた。これらの条件を満たすために、M8 ボル
ト 2 本で干渉計プレートの左右両端からベースプレートに固定できるようにした。これ
により、ネジを締めて干渉計をベースプレートに固定する作業を二人で 1 分以内に完了できるようになった。M8 ボルトを止める際には 25 N cm のトルク管理を求められたことから、干渉計装置と赤外線スペクトル測定装置の間に垂直プレートを立ててトルクレン
チ置き場を準備した（図 7C）。この垂直のプレートは 7 月 5 日に提案し、即日承認された。用いたブラケット（larger brackets, 45 × 90）を元に Novespace 社が最大重量を見積
もり、18 kg と算出された。

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5. 現地作業および荷物の輸送と受け入れ
札幌を出発した 9 月 2 日から帰国後に装置を受け取るまでの流れを以下にまとめる。
・2 日（土）：木村、森、屋嶋の 3 名で札幌を出発。
・3 日（日）：夜、無事ボルドーに到着。
・4 日（月）：10 時 15 分頃 Novespace 社到着、入構証の受け取り。14 時頃までに 4 つの木箱を開梱。実験装置の外観とネジの確認。重量測定［クーラーバック固定用フレー
ム 29 kg （クーラーバック込みで 34 kg）、制御 ・ 記録計搭載ラック 132 kg、Zarges
box 139 kg］。航空機に搭載する際の固定用穴位置を、大きな紙の上に実験装置を置
き、紙に穴位置を直接書くことで測定した。穴位置が横 503 mm のところ、実測値は502 mm で 1 mm ずれていた。これは許容範囲内であるが、対角では 5 mm ずれており、穴を金やすりで 1 mm 程度拡げた。
・5 日（火）：恒温槽 （Climatic chamber, TH-011, AMTC, Ruy, France）のレンタル品が届いた （図 4v）。液体窒素（CRYO-Distribution Aquitaine）25 L 納品。実験装置の健
全性の確認 （メカニカルチェック、電気系統のチェック）。フレーム同士を固定する
T ボルト 6 本の向きが既定の 90 度になってないと指摘を受けて締め直した。ドライ
シッパーに入れる低温チェンバー用のヒーター線にヒューズが一つ不足していたために足した。ドライシッパーに低温チェンバーを入れた際の冷却効率を高めるために
ドライシッパー内部に設置したファン （図 2B） と圧力計用ヒーターのヒューズが規定値より大きい 3 A であると指摘を受けて 1 A に変更した。高温チェンバーを搭載するためにつかう Pelican ケース （図 4vi と図 9） の下面にゴムシートを貼り、実験中にこのケースを制御・記録計搭載ラック上に固定するために用意したベルトを 2 本から 1 本に減らした。
微小重力実験中に実験装置に衝突してケガをするリスクを下げるために、実験装置に緩衝材を取り付けた （図 10）。

図9高温チェンバー搭載用の Pelican ケース （The Pelican™ Storm Case™, iM2450,
Pelican Products, Inc.）。 A. 外観。 B. 内観。

12

図 10

緩衝材 （ArmaFlex XG, Armacell） を取り付ける前後の制御・記録計搭載ラック。
A. 緩衝材を取り付ける前。 B. 緩衝材を取り付けた後。

制振装置は微小重力下で浮いたときに振動を受け難くするために、水平方向に遊びがある。Novespace 社の力自慢の技術者は制振装置をベースプレートに固定するためのボルトを、四隅に用意したナットを緩めずに力ずくで締めために、2 本とも噛んでしまい、使えなくなった。これは、制振装置の左右に I ボルトを 2 個ずつ用意
し、ベルトを 1 本ずつ通して締め上げることで解決した。これにより、トルク管理も不要となったことから、トルクレンチを Zarges box から降ろした。
・6 日（水）：電気系統の確認時に、Zarges Box の蓋をあけるのと連動してレーザーのシャッターが閉じる機構を担っている電磁スイッチ （Sick 安全スイッチ RE11 シ
リーズ、RS コンポーネンツ） の一つが動作不良であることが見つかり、予備と交換した。
実験装置をクリーニングして航空機に搭載した （図 1D）。真空装置にガスボンベをつなぎ、真空を確認した （図 6）。夕方機内作業を開始したが、機内が暑すぎて途中で切り上げた。
・7 日（木）：午前中の涼しい時間帯に機内でケーブルの接続。実験手順の確認を行った。
微小重力実験では 5 回のパラボリック飛行ごとに 5 分間の水平飛行があり、その間に実験条件の変更や装置の調整などを行う。我々はその 5 分の間に核生成チェンバーの交換作業を行うことにしている。その手順の確認と既定の時間内 （マージンを含めるために 4 分半以内）に手順が終了するかどうかを Novespace 社の技術担当者 7、8 名の前で確認するテストが課せられた。機内で初めて実施することもあり、5 分
48 秒かかった。加えて、クーラーバックからドライシッパーに低温チェンバーを入れる作業と蒸発源をレーザーの光軸に合わせる作業を省いていた。その後、手順の見直しと練習を行い、すべての手順を 4 分 3 秒で終えることができた。

13

DLR のプロジェクトマネージャーと面談をして、我々の実験が日独共同研究としてプレスリリースに取り上げられることになり、初日のパラボリックフライト実験の際にそれぞれの国旗を持って写真を撮る計画に合意した。
16 時頃に実験室に戻ったら恒温槽の電源が落ちていることに気が付いた。調査した結果、コンプレッサーが壊れており、現場で修理することはできないために、レン
タル業者に至急の交換をお願いした。
・8 日（金）：恒温槽の交換が間に合わなかった時のために、急遽ドライアイスを 40 kg、
11 日（月）納品で CRYO-Distribution Aquitaine に発注した。Zarges Box の電磁ス
イッチの一つが再度動作不良になった。過電流によるスパークの可能性が疑われたた
め、配線を見直すと共に電磁スイッチを 2 個発注した。
7 日に引き続き Novespace 社の技術者立会いの元で、5 分間の水平飛行時の準備時
間を測るテストを行い、4 分ですべての作業を終えることができた （10 時）。実験の全景を撮影するためのハンディカムを設置した （14 時）。赤外分光光度計の強度を確認し、アライメントを行った。
・11 日（月）：液体窒素 25 L とドライアイス 40 kg 納品。恒温槽が実験に間に合わない可能性が高いことから、ドライアイスをさらに 40 kg、12 日（火）納品で発注した。
低温チェンバー内の温度を測定するための極微小な白金測温抵抗体 Pt 100 に不具合があったためにハンダで付け直した。午後、電磁スイッチを 2 個とも交換した。
8 台の高温チェンバーを順に真空引きして、アルゴンガスを 20000 または 40000 Pa
入れた。保冷剤をドライアイスで冷やしはじめ、続けて蒸発源に水を入れた低温チェ
ンバーを順に冷やし始めた。
夕方実験内容の紹介を行う全体会合に出席してプレゼンを行った。その後、Novespace 社でハンバーガーパーティーが開催された。
・12 日（火）：パラボリックフライト 1 日目。ドライアイス 40 kg 納品。ドライアイスを用いることで実験が成立することが確認されたため、恒温槽をキャンセルした。追加でドライアイス 20 kg を、13 日（水）納品で発注した。
朝 7 時頃、低温チェンバーの真空引きを行い、窒素ガスを 40000 または 80000 Pa入れた。高温チェンバーの圧力を測定して、リークが無いことを確認した。ドライシッ
パーに満たしていた液体窒素を出して、航空機に搭載できるようにした。8 時 15 分に酔い止めを注射したところ、9 時頃には船酔いのようになり、ボルドーに来てから最も体調が悪くなった。8 時半過ぎにクーラーバックやチェンバーなどを持って航空機に搭乗した。実験を開始する頃には体調も戻り、そのまま初日の実験を無事に終えた。酔い止めを注射しなかった搭乗者は途中で motion sickness になり、後部の座席で耐え忍ぶことになったことから、酔い止めの効果はあったと考えられる。
微小重力実験も半ばを過ぎた頃に、DLR のプロジェクトマネージャーの Katrin
Maria Stang 氏と共に微小重力中にお互いの国旗を持って記念撮影を行った。その写真を用いて DLR からプレスリリースが発出された （図 11）。実験の合間に Free-

14

図 11

ドイツと日本の国際協力による微小重力実験の実施を PR するために、DL がパ
ラボリックフライト初日の実験後に行ったプレスリリース。奥が筆頭著者の木村で、手前が DLR のプロジェクトマネージャー。
https://www.dlr.de/en/latest/news/2023/03/flight-of-german-japanese-friendshipfloating area で微小重力を体験している際の映像を Amelie Schoenenwald 宇宙飛行士が撮影してくれた。昼食後、デイリーミーティングが行われ、その後 Schoenenwald
氏に声をかけて映像を頂き、記念撮影をした。初日のフライトには宇宙飛行士 2 名が搭乗し、最初の 11 回のパラボリックフライトの間、Free-floating area で微小重力の体験訓練を行っていた。
低温チェンバーの真空排気を行い、保冷剤と共にドライアイスで冷やした。高温
チェンバーの実験後の圧力を測定した後に試料の載った透過型電子顕微鏡 （TEM）
観察用のグリッドを取り出し、蒸発源 （主に炭素、炭化シリコン、炭化チタン） を交換して、新しいグリッドを入れ、真空引きを行って、アルゴンと水素の混合ガスを導入した。並行して、実験データを保存し、所定のデータが取得できていることを確認した。
・13 日（水）：パラボリックフライト 2 日目。ドライアイス 20 kg 納品。前日朝、ドライ
シッパーに満たしていた液体窒素を出す作業を表で行っていたのを見た他グループの参加者が、白い煙を怖がっているという声があったので、裏で実施するように要請された。前日と同様の準備作業を行い、航空機実験を実施した。初日よりも酔い止めの量を少し減らしたところ、体調の悪化はかなり改善された。キャンペーンには医師2 名が参加しており、健康管理と酔い止めの注射や薬の処方を担っている。また、航空機にも搭乗して、実験中に体調不良の実験者に声をかけるなどの対応がなされていた。
昼食後、デイリーミーティングが実施され、その後、初日と同様に低温チェンバーの真空排気を行い、保冷剤と共にドライアイスで冷やした。三日間の実験を通して蒸15発源への水の補充は行わなかった。続いて、高温チェンバーから試料の載った TEM
グリッドを回収し、チェンバーをクリーニングして、蒸発源（主にタングステン、モリブデン） を交換、新しい TEM グリッドを入れて、真空引きを行い、アルゴンと酸素の混合ガスを入れた。並行して、実験データを保存し、所定のデータが取得できていることを確認した。
・14 日（木）：パラボリックフライト 3 日目。初日と同様に準備作業を行い、航空機実験を実施した。最終日であるため、実験終了後は準備のできたチームから実験装置を航空機から降ろした。我々は翌日も撤収作業を行う予定にしていたことから、制御・記録計搭載ラックと Zarges box 間のケーブルを分離していつでも航空機から降ろしてもらえるように準備した後は、地上の片付け作業を優先した。
実験後はデイリーミーティングを実施して、各チームから全日程を通した実験のまとめが報告されて、各チーム片付け、撤収作業に移った。高温チェンバー内の試料はそのまま日本まで持ち帰ることにした。低温チェンバーから保冷剤を抜き、エタノー
ルで洗浄した。保冷剤をクーラーバッグから取り出し、室温に戻すべく日向に干した。
また、ドライシッパーに低温チェンバーを入れて送り返すために室温に戻す必要があ
り、蓋をあけて液体窒素の蒸発を早めた。次のパラボリックフライトキャンペーンのために、ESDP など 4 つの書類の最終版を Novespace 社から受け取った。
夕方からビアガーデンに移動して、Novespace 社の技術者らと交流した。この会に呼ばれたチームは我々だけであり、プロジェクトを通して友好な関係を築くことができ、国際研究として成功であったと言える。
・15 日（金）：実験装置の梱包作業を行い、木箱に入れて輸送できるようにした。作業は昼頃に終えることができた。Novespace 社から、フライト中のデータや写真、動画などが保存された FTP サーバーの情報を受け取った。
・16 日（土）：昼の飛行機で帰国の途に付いた。
・17 日（日）：3 人で無事に千歳空港まで戻った。
・18 日（月）：輸送業者（M&M Militzer & Münch France SA）が Novespace 社から ATA
カルネを受け取った。
・20 日（水）：実験装置の入った木箱 4 箱が Novespace 社から発送された。
・22 日（金）：輸入時と同じ梱包をして送り返したにもかかわらず、フランスから輸出する際に、輸入重量 886 kg に対して現在の重量が 881 kg であり、5 kg 軽くなっている
理由を聞かれた。割合にするとわずか 0.56 %の減少であり、測定誤差ではないかと考えたが、輸送業者から「重量に誤差があること自体が滅多にない」と教えられた。
今回、1.43 kg の保冷剤を 18 個、計~26 kg 輸送している。フランスで開梱した際に一部が漏れ出ていたことから、密閉性はあまり良くなく滞在中に蒸発した可能性もあると報告した。

16

・9 月 30 日（土）－10 月 1 日（日）：木箱 4 箱、成田到着。
・3 日（金）：輸入許可。
・6 日（月）：実験装置の入った木箱 4 箱が低温研に無事到着した。

おわりに多くの方々のご協力のおかげで無事に実験を終えることができ、所定の実験データを取得することができた。最初に Novespace 社に実験の可能性を伺うメールを送信して以降、1 年足らずでメールのやり取りは 1050 通を超えた。観測ロケット実験よりは少ない
ものの、短期間で集中して準備を進めたために、その密度は同程度かより濃いかもしれない。実験内容と結果は別の機会に報告する。
なお、本実験は宇宙研の宇宙環境利用専門委員会のフロントローディング研究と DLRの協力を受けた。Novespace 社の技術者 Thomas Villatte 氏には、通常はサポートされない
フランスでの物品の発注、業者とのやり取りを行って頂いた。
参考文献
S. Ishizuka, Y. Kimura, I. Sakon, H. Kimura, T. Yamazaki, S. Takeuchi, Y. Inatomi, Soundingrocket microgravity experiments on alumina dust, Nature Communications, 9 （2018）
3820.
Y. Kimura, K. K. Tanaka, T. Nozawa, S. Takeuchi, Y. Inatomi, Pure iron grains are rare in theuniverse, Science Advances, 3 （2017） e1601992.
Y. Kimura, S. Ishizuka, S. Šturm, K. K. Tanaka, T. Yamazaki, F. Saito, Y. Satoh, K. Tsukamoto,Y. Inatomi, Nucleation Processes of Cosmic Dust Investigated by Microgravity
Experiments using an Airplane, International Journal of Microgravity Science andApplication, 35 （2018） 350305.
Y. Kimura, K. K. Tanaka, Y. Inatomi, F. T. Ferguson, J. A. Nuth III, Inefficient Growth of SiOx
Grains: Implications for Circumstellar Outflows, The Astrophysical Journal Letters, 934（2022） L10.
Y. Kimura, K. K. Tanaka, Y. Inatomi, C. Aktas, J. Blum, Nucleation experiments on atitanium–carbon system imply nonclassical formation of presolar grain, Science Advances,
9 （2023） eadd8295.
木村勇気、石塚紳之介、Sašo Šturm、田中今日子、山﨑智也、齋藤史明、佐藤陽亮、稲富裕光、「 航 空 機 を 用 い た 微 小 重 力 実 験 に よ る 宇 宙 ダ ス ト の 初 期 形 成 プ ロ セ ス の 解 明 」、 Space
Utilization Research, 31 （2016） SA6000061013.
木村勇気、山﨑智也、屋嶋悠河、中埜夕希、森章一、稲富裕光、「航空機を用いた微小重力環境下に お け る 氷 ナ ノ 粒 子 の 核 生 成 実 験 の 速 報 」、 Space Utilization Research, 37 （ 2022)
SA6000180005.

17南極海における鉄測定のためのクリーンコンテナラボ
および CTD システムの構築
小野 数也 1、西岡 純 2、村山 愛子 2、森 章一 3、
佐藤 陽亮 3、藤田 和之 3、斎藤 史明 3、平田 康史 3
1. 技術部先端技術支援室
2. 環オホーツク観測研究センター
3. 技術部装置開発室

南極海における鉄観測の重要性
南極海は栄養塩が豊富な海域であり、生物生産が微量栄養物質である鉄によって制限されている海域である。そのため、生物生産の多寡を決める要因は、どこからどれだけ鉄分が供給されるのかに左右されている。現在、日本の南極観測が実施されている東南極に位置する氷床と海洋が接している海域では、氷床融解や海氷の消長にともなう海洋循環・
物質循環に駆動される鉄供給過程が、生物生産を制御する重要な要因と考えられる。しかし、この海域は非常に氷が厚く、一般的な観測船だと海氷域にすらアクセスできない。特に東南極の厳しい海氷域の中・氷河の手前まで侵入し観測するには、砕氷船「しらせ」以外不可能である。そこで我々はこの海域での鉄の観測を実現させるため、砕氷船「しらせ」
で利用可能なクリーンコンテナラボの製作を行なっている。

鉄観測に必要なクリーンコンテナラボの構築
砕氷船「しらせ」において鉄観測を実施するためには、「しらせ」船上に汚染なくクリーンにサンプルを採取するための環境を整えることが必須であり、専用のクリーンコンテ
ナを構築することが重要であった。元々環オホーツク観測研究センターで保有していた
コンテナラボ （西岡ら 2011） をクリーンコンテナラボに改造し、鉄観測を実施できる環
境を整えることを進めた。実際の南極での観測が行われるのは、2024 と 2025 年度だが、砕氷船「しらせ」での鉄観測を実現させるため、昨年度から夏場に行われている「しらせ」
訓練航海の機会を利用させていただいている。
まず昨年度に取り組んだことは、コンテナラボを確実に「しらせ」に装備させることである。
「しらせ」甲板上にはコンテナラボが設置できるスペースは 2 箇所あるが、設計上、余分な隙間が全くない（図 1）。実際、左右のコンテナ間の隙間は 4 cm もなかった。ギリ
ギリのスペースに置かれているため、はみ出していたものを取り外す必要がある。このコ
ンテナラボは 20 ft コンテナの規格からはみ出しているものが多数あり （図 2 左）、ありとあらゆるものを削ぎ落とす必要があった。具体的にはエアコンの室外機、窓枠、電線の排水用のパイプ、ドアノブなどで、窓枠は外した後、薄い透明のアクリル板を貼り付けた。
エアコンの室外機を取り外したため、中にあったエアコンも取り除いた。経年劣化による
サビも酷かったため、高圧洗浄機で洗った後、ペンキを塗り直した （図 2 右）。コンテナ

18

ラボ標準の開き戸では、「しらせ」天井の梁が引っ掛かり開けることができない （図 3 左）。
そこで、扉を切って上下に分け（図 3 中）、上の一部だけを残して開閉が可能になるようにした（図 3 右）。
コンテナラボを輸送するにあたり、いくつかの懸念事項をクリアしていったが、一つ大きな問題が発生していた。長年、この場所にコンテナラボを置いたまま動かさなかったことが災いしたのか、下から木が生えていた（図 4：直径最大 25 cm 程度）。この木はコン
テナラボを巻き込んで生えてきており、このままでは動かすことができない。そのため、早急に伐採を計画した。初めはノコギリや斧で取り除こうとしたが歯が届かず、チェーンソーを使い取り外した。なお、木の伐採には北大本部の許可を得ている。伐採後はトラブ
ルなく、クレーン車で吊り上げ、トラックに載せることができた （図 5 左）。一年後の輸送は、隣の巨木がより生い茂っていた影響や隣の倉庫にできていたスズメバチの巣の影
響なども心配されたが、問題なく搭載できた （図 5 右）。

図 1

砕氷船「しらせ」のコンテナラボの設置場所。ヘリ甲板のハッチを開けて、上から差し込む形で設置する。実際に観測するフロアは一つ下の階層である。

19

図2

図 3

（左）コンテナラボ改造前、（右）ペンキ塗りたて。

（左）「しらせ」観測甲板に設置されたコンテナラボと梁。（中）コンテナラボの開き戸を上下に分ける作業。（右）開き戸を開けた状態。梁を避けている。

図4（左）コンテナラボの下から生えて来た木。横のドアを圧迫していた。（中）横の倉庫
階段の手すりに巻き込んでいた。（右）コンテナラボの下。木が食い込んでいる。

図5（左）2022 年と（右）2023 年の積み込み。理由は不明だが、ほとんど何も積んでいな

20

い状態でも重量が 4.5t もあったため（通常は 3t 程度）、ユニック車のクレーンの利用は諦めた。

クリーンコンテナラボの内装
図 6 にクリーコンテナラボの見取り図を示す。開き戸を開けると、手前にクリーンテントがある。テントの中には常にクリーンエアが送られ、ここで採水を行う （図 7）。奥にはラボスペースを設定してあり、準備やサンプル処理を行う。なお、ラボスペースには横のドア （図 4 中） から出入りが可能である。開き戸からステンレス製のハンドパレット、
プラスチックパレット、CTD 架台を使って CTD の 格納・搬出を行なったが、細かい 高さ調整に関してはベニヤ板を重ねて対応した （図 8） 。

前ラボスペース
2780×2121 mm
サンプルラック
1200×600

クリーンエリア2960×2190 mm

後660 mm

出入り

2000

実験机
910×800 mm

図6

実験机
910×800 mm

実験机
910×600 mm
クリーンエア送風機

1200

採水場所
1520 mm

CTDCWS

実験机
910×600 mm

クリーンコンテナラボ内部見取り図。テントの左側には採水器を 6 本掛けられる架台を設置した。クリーンエア送風機は実験机の上に設置した。

図7

クリーンコンテナラボ内での採水の様子。採水器を架台にかけている。寒い南極での運用には支障がないが、テント内は非常に蒸し暑く、辛い作業だった。

21

図8

ハンドパレットと CTD 架台を利用した CTD の移動。

クリーン採水用 CTD カルーセル
環オホーツク観測研究センターで保有し、以前技術部で改造したメモリー式 CTD ク
リーン採水システムを南極観測のために整備した。本システムはあらかじめ設定した情報をもとに、アーマードケーブルなど電気信号を備えるケーブルが無い状態でも、通常ケーブルに吊るして海水中に投入するだけで CTD データの取得と採水が可能となる。本
システムは本来、5 L の採水器しか装着できないものだが、フレームを加工し、12 L の採水器まで装着できるよう改造した （図 9）。

図9（左）改造後の CTD 採水システム。（右）しらせに導入した CTD 採水システム。

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おわりに
2023 年 9 月 17 日から 29 日までに参加した砕氷船「しらせ」の訓練航海において、構築したクリーンコンテナと採水システムのテストを実施し、実際にクリーン採水を実施することができた （図 10）。しかし、取得した CTD データに不具合が見受けられたため、後日 10 月に北海道大学練習船うしお丸で同システムの再チェックを行った。その結果、
CTD を読み込むソフトのキャリブレーション定数と呼ばれるものを修正する必要があることを確認し、この不具合は解消された。現在、「しらせ」の訓練航海で採取されたサン
プルの鉄濃度を 3 機関で測定しており、クリーンに採水ができているのかをチェックしている。
本年度 9 月までに、昨年から 1 年間かけて環オホーツク観測研究センターと技術部で整備を進めてきた南極における鉄観測に使用するためのクリーンコンテナラボとクリー
ン CTD 採水システムをほぼ完成させることができた。また、来るべき本番前の今年度の「しらせ」訓練航海で、これら構築したシステムの機能をテストできた意義は非常に大きい。今後は、来年度、再来年度に迫った南極における鉄観測に向けて、引き続き検討すべ
き事項を抽出し、整備を進めていく。
参考文献
西岡 純、小野 数也 「2011 年ゴルディエンコ号オホーツク海観測支援体制」北海道大学低温科学研究所技術部技術報告、 17、1 − 5、2011 年 12 月。

図 10「しらせ」訓練航海での CTD 採水システムの投入。

23

南部オホーツク海における定線観測と係留系観測の実施
西岡 純 1、小野 数也 2、村山 愛子 1、中村 知裕 1、藤尾 伸三 3、柳本 大吾 3
1. 環オホーツク観測研究センター
2. 技術部先端技術支援室
3. 東京大学大気海洋研究所海洋地球システム研究系

はじめに
冬季に海氷が覆う南部オホーツク海は、春季、海氷融解直後の最も早い時期に、冷水域において高緯度特有の大規模な植物プランクトンブルームが起こる。しかし、海氷の役割を含めて、その発生機構が十分に理解されているとは言えない。4 月中旬から 5 月初旬の
南部オホーツク海域は、表層に海氷融解水の影響を受けた東樺太沿岸流、その直下にほぼ結氷温度で低塩な中冷水、さらに下層にはオホーツク中層水が存在し、表層と中層の間に宗谷暖流が冷やされて生成された宗谷暖流変質水が貫入しているなど、様々な起源をもつ海流の合流域であり、複雑な水塊構造 （水温・塩分・栄養物質分布） を持つ。また合流する際に潮汐混合などによって栄養物質を含めて水塊変質も生じている可能性がある。
現在、環オホーツク観測研究センターでは、季節海氷域の南部オホーツク海を対象とし、
海洋生態系の季節的変動を生み出すメカニズムを解明するために、船舶観測および係留系を利用した観測モニタリング網を構築している。今回、新青丸を利用した船舶観測を行ったので紹介する。

オホーツク海モニタリング（船舶観測）
これまでに、船舶を利用した海氷到来前 12 月（白鳳丸 KH-20-12）、冬季海氷期 2 月（海上保安庁そうや）、海氷融解直後春季ブルーム期（新青丸 KS-21-6）、春季ブルーム終焉期（新青丸 KS-22-6）の海洋物理・栄養物質環境と生物地球化学的観測を実施してきた（観測点は図 1 参照）。環オホーツク観測研究センターでは、南部オホーツク海の船舶観測を継続し、北海道オホーツク海沿岸からクリル海盆に沿った観測定線（図 1 の ES-U、ES-M、
HO-U）において、季節を通した水塊構造、水塊の混合・栄養物質変質過程を把握するた
め、CTD（水温、塩分、深度センサー）・採水・LADCP（投下型超音波流向流速計）・乱流計の観測を実施している。2023 年 9 月には、これまでにデータが欠損していた秋季のデータの取得のため、海洋研究開発機構の新青丸を利用した航海 KS-23-15 を実施した（図 1）。

24

St.11

ES-U
St.

St. 69St. 70, St. 99

SX-S

St. 54

St. 118

SLD

HO-D

St. 45SLW

St. 46

ES-DLU

ES-DX
St. 39St. 40St. 108
SXD

St. 108

HO-U

St. 32

St. 12

ES-M

SLE

St. 25

St. 33
St. 85

図1

St. 84オホーツク海で予定していた観測点。朱 × は北大定点観測点
St. M。

オホーツク海モニタリング（係留計観測）
KS-23-15 航海では、東樺太海流の季節的な変動をとらえるため 2022 年 5 月 9 日に設置した係留系 1 系の揚収を行った。回収した系の構成を図 2 に示す。係留系とは、錘・
フロート・ロープなどを使って、水中に系を立ち上がらせ、センサーをロープなどに取り付けて、ある特定深度のデータを長期間測定するものである。系には、水塊の流動を調べるために CTD や流速計を取り付けたほか、沈降粒子として捕捉される植物プランクトン
およびアイスアルジの種組成の解析と炭素量測定を目的としてセジメントトラップを取り付けている。2022 年 5 月 9 日、以前の係留系に引き続き St.18 にて設置し、2023 年 9
月 2 日系一式を揚収し、1 年 4 ヶ月のデータを取得した。音響切離装置に信号を送り、アンカーと系を切り離し、ガラス玉の浮力で浮上させ、回収する。過去には音響切離装置のバッテリートラブルなどで回収できなかったことなどがあったため、バックアップとして系に 2 つの異なるメーカーの音響切離装置を付けていたが、両者とも問題なく動作し、必要なすべての装置を回収した （図 3）。
本 系の 80 m 付近には、超音波流行流速計 ADCP （ Teledyne RD Instruments 製
WH300 ; 4 m ごと 180 m 先まで測定可能。30 分間隔で測定） を上向きに取り付けており、海面まで細かい層で流速が得らえる。また、冬季に海氷が来る時には、海氷下部までの距離を測定することで、海氷の厚さも計測可能である。水温・塩分を測定するためのセ25

【設置】 (St. MONTA) 44°41.4539’N 144°27.4007’E 水深1405m
RBR virtuoso (209253) 上端近く
トップブイ（ラジオビーコン、イリジウムビーコン）

ARO-USB (875) 1m間隔

1/2シャックル
ACTW-USB(875) 上端から1m

MicroCAT-2 (303) 1m間隔
ATD-HR (189) 1m間隔
ケブラーロープ (8mm, 10m)

パイレンロープ (12mm, 40 m, 両端鉄)SUSシャックル(M16)- SUSシャックル(M16)-SUSリンク(1t)-SUSコデベルW16-SUSシャックル(M16)

1/2シャックル-2tリンク-1/2シャックル-1tスイベル-5/8シャックル

RCM11 (535, Pなし)
SUSシャックル(M16)-SUSシャックル(M16)

ADCP(1317) + DEFI2-D50(0EL9006)
4ガラスブイ, インライン≈

ケブラーロープ (6mm, 200 m)
1/2シャックル-1/2シャックル

5/8シャックル-1tスイベル-1/2シャックル

≈ ケブラーロープ (6mm, 200 m)
1/2シャックル-1/2シャックル≈ ケブラーロープ (6mm, 100 m)≈

1/2シャックル- 1/2シャックル-2tリンク-1/2シャックル

ケブラーロープ (6mm, 100 m)
1/2シャックル-5/8シャックル≈ ケブラーロープ (6mm, 300 m)
5/8シャックル-2tリンク-1/2シャックル

フロート 6ガラスブイ, 51チェーン(2.73m)

フロート, 4ガラスブイ, 39チェーン(2.10m)
1/2シャックル-5/8シャックル
ケブラーロープ (6mm, 2m)

A7CT-USB (719) 上端ギリギリ

SUSシャックル(M16)-SUSコデベル-SUSシャックル(M16)

ケブラーロープ (8mm, 2m)

RCM11 (337, P付)

SUSシャックル(M16)-SUSコデベル-SUSシャックル(M16)

SUSシャックル(M16)-SUSシャックル(M16)

RCM11 (136, P付)

ケブラーロープ (8mm, 2m)

SUSシャックル(M16)-SUSシャックル(M16)

MicroCAT-1 (226) 下端から1m
1/2シャックル-1/2シャックル

ケブラーロープ (6mm, 1.5m)≈ ケブラーロープ (6mm, 100 m)

1/2シャックル-3/8シャックル

X

切離装置 Benthos(282)

1/2シャックル-1/2シャックル
SoundTrap 上端

SUS切離リング(ブッシュ付)-3/8シャックル-1/2シャックル

ケブラーロープ (6mm, 1.5m)

チェーン 3 m (1/2 in)

A7CT-USB (718) 下端

1/2シャックル-2tリンク-5/8シャックル

1/2シャックル-1/2シャックル≈ ケブラーロープ (6mm, 100 m)

切離装置 海洋電子 MX-1362

1/2シャックル
チタンリング-5/8シャックル-1tスイベル-3/8シャックル

フロート, 4ガラスブイ, 39チェーン(2.10m)
ダブラーロープ (12mm, 20m, 両端鉄)

1/2シャックル≈

ケブラーロープ (6mm, 100 m)

3/8シャックル-1/2シャックル

1/2シャックル-1/2シャックルチェーン 5 m (1/2 in)

ケブラーロープ (8mm, 2 m)
1/2シャックル-2tリンク-1/2シャックル-1tスイベル-1/2シャックル(黒)1/2シャックル
9mm x 1.5m 3又型 使用荷重 2-2.5t
レールシンカー 600 kg

McLane Sediment Trap

10mm x 0.8m 2又型 使用荷重 1.2 – 1.5t

1/2シャックル(黒)図2

本航海で揚収した系の構成図。

26

ンサーを上端付近にはワイパー付き（JFE アドバンテック社製 ACTW-USB ; 15 分間隔）を、水深 400 m と海底直上（JFE アドバンテック社製 A7CT-USB ; 15 分間隔）、200 mと 500 m 付近にも （Seabird 製 SBE 37-SM ; 10 分間隔） 設置した。200 m と 500 m 付
近および海底直上には、流速計 （Aanderaa 社製 RCM-11）を取り付けた。表層に加えて、海底直上の流速を測定することで、季節的・鉛直的な流動の違いなどを明らかにする。
500 m 付近には、セディメントトラップ （McLane 社製、Mark 78H-21）および蛍光セン
サー （RBR 社製 : virtuoso3） および溶存酸素計 （JFE アドバンテック社製 : ARO-USB）を取り付けた。

図3

係留計回収の様子。（左上）浮上直後の係留系。フロートが海面から出ている。（右上）最も海面に近い場所で係留されていたブイ （水深約 40 m を係留）。汚れがひどかった。（左下）セジメントトラップ近くの水深で係留していた回収直後の溶存酸素センサー。生物付着が酷く、データの取り扱いには注意が必要。（右下）次回以降、利用できるものは流用したいため、回収後、ロープなどを繋いでいる金物類をひとつひとつ外し、全て洗い流す。強烈な磯の臭いがした。

27

図4

（左）セジメントトラップのサンプル。（右）回収時の様子。ロープを含めて、大量の生物付着があった。

トラップ本体には 22 個のサンプルカップが装着されており、2022 年 12 月 1 日 00:00(JST) より最初のカップのサンプリングが始まり、15 日間隔でサンプルカップが回転し、合計 330 日間サンプルを採取する設定となっている。サンプルカップには、塩分を 10 高
めた 5 %中性ホルマリン濃度の海水が充填されている （図 4）。

オホーツク観測網に関する技術部支援
上記の南部オホーツク海モニタリング網の構築および継続維持していくためには、技術部からの支援が欠かせない。毎回の船舶観測においては、航海前の観測機器の整備、確実な採水作業、精度の良い酸素や塩分などの物理・化学パラメータのサンプル分析作業が必要になる。また、他の船舶観測でも実施している、表層モニタリング装置の設置・観測 （西岡ら 2021） やドローン採水 （小野ら 2022） なども実施した。
係留系観測においては、現場観測点情報の整理、浮力計算を踏まえたデザイン、航海前の観測測器のオーバーホールの手配、機材やロープなど消耗品の準備、船上での組み上
げ、投入・揚収など航海前から航海中に至る船上作業全ての過程で技術部が貢献した。
2023 年秋季の観測では、係留揚収作業およびデータ回収作業を、先端技術支援室小野が主体的に実施した（図 4）。オホーツク海観測モニタリング継続のために引き続きご協力を願う。
参考文献
西岡 純、小野 数也、藤田 和之、平田 康史「観測船におけるクリーン観測と観測装置の改良」
北海道大学低温科学研究所技術部技術報告、 27、3 − 6、2021 年 12 月。
小野 数也、平田 康史、西岡 純「海氷間におけるドローン採水の試み」北海道大学低温科学研究
所技術部技術報告、 28、24 − 27、2022 年 12 月。

28

短波海洋レーダを用いた宗谷暖流の長期連続観測
江淵 直人 1, 2、深町 康 3、大島 慶一郎 2, 4、三寺 史夫 2、西岡 純 2、高塚 徹 5、
小野 数也 5、石川 正雄 5、大坊 孝春 5、白澤 邦男 2、若土 正曉 2, 4
1. 水・物質循環部門大気海洋相互作用分野
2. 環オホーツク観測研究センター
3. 北極域研究センター
4. 水・物質循環部門海洋・海氷動態分野
5. 技術部

１．はじめに
北大低温研は、宗谷暖流のモニタリングを目的として、宗谷海峡域および紋別 − 雄武海
域に 5 基の短波海洋レーダを設置し、2003 年 8 月から表層流速場の連続観測を行ってきた。無線局免許の問題や機材の老朽化により、2022 年 3 月に海洋レーダの運用は終了したが、18 年 7 か月の貴重なデータが得られた。本報では、この海洋レーダの設置・運用・撤去に関する技術支援と得られた観測結果について紹介する。

２．宗谷暖流のレーダ観測の必要性
宗谷暖流は、日本海を南から北へと流れる対馬暖流系の一部で、宗谷海峡を通って日本
海からオホーツク海へ高温・高塩の水を供給し、オホーツク海の海洋環境や沿岸の気候に大きな影響を与える。青田（1975 と 1984）、 Aota and Matsuyama （1987）、 Matsuyama
et al.（2006）などによって、宗谷暖流の観測結果が報告されている。しかしながら、国境の海域における政治的な問題や、活発な漁業活動、海氷の存在を含む冬季の気象条件の厳しさなどによる観測の難しさから、宗谷暖流の全体像は必ずしも明らかになっているとは言えない。
短波海洋レーダは、陸上に設置した短波帯のレーダによって沖合域の海洋表層の流速・流向を観測する装置であり、高頻度で長期にわたり繰り返し観測が可能である （Barrick
et al., 1977; Prandle, 1991 など）。北大低温研では、2003 年 8 月から宗谷海峡域および紋別 − 雄武海域に短波海洋レーダを設置して宗谷暖流の連続観測を開始した。九州大学
応用力学研究所が我々より１年先行して、対馬海峡域において短波海洋レーダの運用を開始した。彼らが、それまで日本では海洋レーダへの利用が認められていなかった
13MHz 帯の無線局免許を獲得したことは、我々にも非常に大きな恩恵があった。2022 年
3 月に無線局免許更新の問題や機材の老朽化のため北大低温研短波海洋レーダの運用は終了したが、18 年 7 か月分の貴重なデータが得られた。

29

３．北大低温研短波海洋レーダの概要
図 1 は、北大低温研短波海洋レーダの配置図である。宗谷海峡域のノシャップ
岬、宗谷岬、猿払の３か所に設置したレー
ダは、米国 CODAR 社製の SeaSonde で、中心周波数は 13.9 MHz、 レンジ方向、
アジマス方向の分解能は、それぞれ、3 km
および 5° であった。また、紋別および雄武では、中心周波数を 25.4 MHz、 分解
能 1.5 km および 5° に設定した。札幌に設置した中央局から各レーダ局の監視・制御・データ収集などを行った。図 2 に、一例としてノシャップ局の写真を示した。
短波海洋レーダは、それぞれのレーダ
局から発射した電波が海面から後方散乱（反射）されて返ってくる信号のドップ

図1

北大低温研短波海洋レーダの配置図。

ラーシフトから、視線方向の表層流速成分を計測する。同一地点に 2 局以上の視線流速の観測データが存在すれば、それをもとに表層流速ベクトル （流速・流向） を算出することが可能である。各局の毎時の視線方向流速から、最小二乗法を用いて、表層流速ベクトルを 3 km 格子 （宗谷海峡域） および
1.5 km 格子 （紋別 − 雄武海域） で合成した。図 3 に宗谷海峡域で観測された表層流速ベ
クトルの一例を示した。データ処理の詳細については、Ebuchi et al. （2006）を参照され
たい。

図 2

ノシャップ岬レーダ局の写真。（ 左） 送信アンテナ、（ 中） 受信アンテナとシェルター、（右）シェルター内の送受信システム。

30

図3

観測スナップショットの例 （2003 年 8 月 3 日 17 時 （日本時間））。

19 年間にわたって 5 局の海洋レーダを維持するためには、多大な労力と費用が必要であった。年 2 回の保守作業 （草刈り、ペンキ塗りを含む）、頻繁に発生する停電、通信途
絶、PC やエアコンなどの機器不調に対応する必要があった。また、オホーツク海沿岸域の過酷な自然環境のため、強風によるアンテナ折損や凍結による GPS アンテナの破損、高波によるアンテナの流失、塩害によるエアコン室外機の破損なども何度か発生した。長
年のレーダ局の維持には、低温研の技術部および事務部の方々のご尽力が欠かせないものだった。
図 4 に、宗谷海峡域の海洋レーダによって観測された表層流速と漂流ブイによる観測値との比較結果を示した （Ebuchi et al., 2006）。東西成分、南北成分ともによい一致を示しており、残差の標準偏差は 20 cm s -1 程度であった。船舶搭載 ADCP (Acoustic Doppler
Current Profiler) や海底設置 ADCP などの観測結果との比較においても同様の結果が得られている。ただし、現場観測との比較においては、観測水深の違いや平均時間・空間
スケールの違いに留意が必要である。

図 4

宗谷海峡域の短波海洋レーダで観測された表層流速と漂流ブイの観測値の比較。
（左） 東西成分、（右）南北成分。Ebuchi et al. （2006）より引用。

31

４．宗谷海峡域における観測データの利用例
短波海洋レーダによって図 3 のような表層海流ベクトルの面的な分布が 1 時間ごとに観測可能である。得られたデータは、潮汐や慣性振動から、季節変動、経年変動など様々なスケールの現象を捉えている。ここでは、宗谷海峡域の観測データから潮汐成分を取り除いた日・月平均値のデータを使った解析結果を紹介する。なお、同海域の潮汐成分に関しては Ebuchi et al. （2006）によって潮流楕円等の解析結果が示されている。また、海洋
レーダの観測データの調和解析に基づいた潮流推算結果を使って、稚内水産試験場および宗谷漁業協同組合と共同で「宗谷岬沖潮流カレンダー」を作成し、地元のミズダコ漁などに貢献している （佐野ら 2012 と 2015）。
図 5 に、宗谷海峡域の海洋レーダ観測範囲と測線 A の位置（左）と測線Ａを横切る流速
成分の季節変化（右）を示した。赤線と誤差棒は 19 年間の平均と標準偏差を表している。
宗谷暖流が明瞭な季節変動を持つことが示されている。流れは夏季に強く、最大流速は
1 m s -1 近くに達し、冬季には非常に弱い。流速の最大値（流軸）は岸から 30 km 付近に存在する。また、誤差棒で示した標準偏差があまり大きくないことから、この 19 年間は、多少の経年変動がありつつも、ほぼ同じ季節変動を繰り返していることが示されている。

図 5（左）宗谷海峡域の海洋レーダ観測範囲および測線 A、（右）測線Ａを横切る流速成分の季節変化。赤線と誤差棒は、19 年間の平均と標準偏差。

図6

稚内 − 網走の水位差と宗谷暖流流軸の流速の時系列 （日平均値）。

32

図 6 は、測線 A 上の流軸位置における流速と稚内 − 網走の水位差の時系列（日平均値）
を示したものである。稚内 − 網走の水位差は、従来から宗谷暖流の強さを表す指標として用いられてきた（青田 1975 と 1984; Aota and Matsuyama, 1987 など）。宗谷暖流の流速と稚内 − 網走の水位差は非常によく対応し、相関係数は 0.799 であった。また、図 6 には、宗谷暖流の季節変化に加えて、周期 10 − 20 日程度の sub-inertial スケールの短周期変動が見られる。Ebuchi et al. （2009）は、この短周期変動を、風の変動による沿岸捕捉
波で説明した。ここでは結果は示さないが、平均的な季節変動を除いた偏差の時系列では、宗谷暖流の流速と稚内 − 網走の水位差の相関はそれほど高くなく、冬季と夏季で傾向が異なることも明らかになっている。
Fukamachi et al. （2008, 2010） は、海洋レーダで観測された表層流速と海底設置
ADCP の流速鉛直プロファイルを組み合わせて、宗谷暖流の流量を見積もった。その結果、年平均で 0.62 − 0.67 Sv （1 Sv = 106 m3 s -1）、最大値となる 8 月で 1.13 Sv、最小とな る 1 月 で 0.08 Sv と な っ た （ Fukamachi et al, 2010） 。 Ohshima et al. （ 2017） ,Ohshima and Kuga （2023） は、短波海洋レーダの観測データと船舶観測および沿岸潮位データを組み合わせて、宗谷暖流の流量と熱及び塩輸送量を見積もり、対馬海峡および津軽海峡での流入・流出量のバランスを議論した。また、紋別 − 雄武海域の 25 MHz 海洋
レーダ（1.5 km 分解能）を使って、海氷分布や漂流速度を算出する試みも行われている（Shirasawa et al., 2013; Zhang et al., 2020）。

５．おわりに
本報では、北大低温研短波海洋レーダの運用と観測データの利用について紹介した。海洋レーダの約 19 年間にわたる連続観測データは、まだまだ、多様な時空間スケールの現象の研究に利用可能であると考えられる。本稿で紹介した短波海洋レーダの観測データ
は、低温科学研究所の共同利用・共同研究の枠組みの下で提供が可能である。利用目的によって、処理レベルや時間間隔などが多様なため、現在は受注生産で対応している。今後、需要が増えれば、定型処理のデータをウェブ上で公開することも考えている。
参考文献
青田 昌秋 (1975): 宗谷暖流の研究. 低温科学, 物理編， A-33, 151 – 172.
青田 昌秋 (1984): 宗谷暖流域の海況変動. 沿岸海洋研究ノート, 22(2)，30 – 39.
Aota, M. and M. Matsuyama (1987): Tidal current fluctuations in the Soya Current. J.

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Barrick, D. E., M. W. Evans and B. L. Weber (1977): Ocean surface currents mapped by radar.

Science, 198, 138 – 144. doi:10.1126/science.198.4313.138
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and M. Wakatsuchi (2006): Observation of the Soya Warm Current using HF radar. J.

33

Oceanogr., 62(1), 47 – 61. doi:10.1007/s10872-006-0031-0
Ebuchi, N., Y. Fukamachi, K. I. Ohshima and M. Wakatsuchi (2009): Subinertial, and seasonaland variations in the Soya Warm Current revealed by HF radars, coastal tide gauges, anda bottom-mounted ADCP. J. Oceanogr., 65(1), 31 – 43. doi:10.1007/s10872-009-0003-2
Fukamachi, Y., I. Tanaka, K.I. Ohshima, N. Ebuchi, G. Mizuta, H. Yoshida, S. Takayanagi and
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doi:10.1007/s10872-008-0031-3
Fukamachi, Y., K. I. Ohshima, N. Ebuchi, T. Bando, K. Ono and M. Sano (2010): Volumetransport in the Soya Strait during 2006-2008. J. Oceanogr., 66(5), 685 – 696.
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Matsuyama, M., M. Wadaka, T. Abe, M. Aota and Y. Koike (2006): Current structure andvolume transport of the Soya Warm Current in summer. J. Oceanogr., 62(2), 197 – 205.
doi:10.1007/s10872-006-0044-8
Ohshima, K. I., D. Simizu, N. Ebuchi, S. Morishima and H. Kashiwase (2017): Volume, heat,and salt transports through the Soya Strait and their seasonal and interannual variations.

J. Phys. Oceanogr., 47(5), 999 – 1019. doi:10.1175/JPO-D-16-0210.1
Ohshima, K. I. and M. Kuga (2023): 50-year volume transport of the Soya Warm Current
estimated from the sea-level difference and its relationship with the Tsushima andTsugaru Warm Currents. J Oceanogr., 79(5), 499 – 515. doi:10.1007/s10872-023-00693-6
Prandle, D. (1991): A new view of near-shore dynamics based on observations from HF radar.

Prog. Oceanogr., 27(3 – 4), 403 – 438. doi:10.1016/0079-6611(91)90030-P
佐野 稔, 坂東 忠男, 江淵 直人, 高柳 志朗 (2012): 宗谷海峡のミズダコを漁獲対象とする樽流
し漁業における漁具の漂流速度の推定. 水産海洋研究, 76, 123 – 130.
佐野 稔, 板東 忠男, 本前 伸一, 江淵 直人 (2015): 宗谷岬沖潮流カレンダーによるミズダコ樽流し漁業活動の変化. 水産海洋研究, 79, 141 – 148.
Shirasawa, K., N. Ebuchi, M. Leppäranta and T. Takatsuka (2013): Ice-edge detection fromJapanese C-band radar and high-frequency radar coastal stations. Ann. Glaciol., 54(62),59 – 64. https://doi.org/10.3189/2013AoG62A007
Zhang, W., N. Ebuchi, Y. Fukamachi, F. Cheng, K. I. Ohshima, B. Emery, T. Toyota, H. Abe andK. Shirasawa (2020): Sea ice observation with oceanographic HF radar. IEEE Trans.

Geosci. Remote Sens., 58(1), 378 – 390. doi:10.1109/TGRS.2019.2936576

34雪氷試料の 1 m m 空間分解能の連続密度測定
飯塚 芳徳 1、齊藤 健 1、森 章一 2、平田 康史 2、斎藤 史明 2、
佐藤 陽亮 2、堀 彰 3、的場 澄人 1、藤田 秀二 4
1. 雪氷新領域部門氷河・氷床分野
2. 技術部装置開発室
3. 北見工業大学
4. 国立極地研究所

はじめに
密度は雪氷の基本となる物理量である。そもそも雪（フィルン含む）と氷の違いは通気性の有無で判別され、通気性の有無はおおよそ密度が 830 kg m-3 に相当する。すなわち、
雪とフィルンは約 100 （新雪） – 400 （フィルン） – 830 kg m-3、氷は気泡の存在量により830 – 917 kg m-3 と密度で区別することができる。密度の測定には、野外調査などでは密度サンプラーとよばれる測器で密度の測定がされてきた。積雪全層の平均密度を測定す
る円筒サンプラーである神室型（e.g. Tanaka and Suzuki., 2008 ; a Kamuro-type snow
sampler, Federal Snow Sampling Tubes, Mount Rose Snow Sampler）、積雪断面の層ごとの密度を測る高さ 30 mm、体積 100 cm3 の角型容器などがある。これらの測定は野外で積雪の変態が進まないうちに密度データを取得するという目的のため、せいぜい数 cm の空間分解能の荒い （バルクな） 密度を測定する。
他方で、実験室での最先端の雪氷の密度測定は µX 線 CT を用いた 3 次元の雪氷構造解
析が挙げられる。µX 線 CT 測定では空間分解能数 µm で雪氷の密度をはじめとする物理量を獲得できる （e.g. Bernard et al., 2023）。しかしながら、一般的な X 線 CT を用いた
3 次元の雪氷構造を測定するには試料を cm スケールの柱状に加工しなくてはならず、アイスコアのような数十 m から数千 m にもなる試料を非破壊で連続に密度の測定を行うには不向きである。Freitag et al. （2004） や Weinhart et al. （2020） はアイスコア測定に特化した大型 X 線 CT 装置を開発・運用している。この装置はミリ単位のクラスト層まで検知できつつ、長さ 10 m までの大きな径の試料の計測を可能にする。しかしながら、この装置の設置には億単位の経費を必要とし、世界でもわずかな研究機関でないと運用は難しい。また、CT 計測は比表面積やオイラー数など密度だけでないさまざまな 3 次元のデータを取得できるが、測定と得られた膨大なデータの解析に時間がかかる点を挙げることができる。一方、アイスコアの密度を測定することは、氷化・圧密にかかる物理過程を知る手掛かりになるだけでなく、気泡の取り込み過程、化学反応の進行の場、水の安
定同位体の層構造の形成過程などを知ることにつながる。そのため、密度データは汎用的で、様々な物理化学解析に使われる基本データとして扱われ、このような基本データとして求められる密度データはシンプルな鉛直方向に 1 次元の密度プロファイルであること35

が多い。要約すると、各研究室レベルで運用可能で、安価な経費で設置でき、取り扱いが容易な 1 次元の密度プロファイルを取得できる密度測定装置の開発が求められている。
アイスコアの密度の最も簡便で基本的な方法はバルク法という、アイスコアの長さと太さ、重量を測定することで約 50 cm 単位のアイスコアセクションごと算出する （e.g.
Iizuka et al., 2017; Kawakami et al., 2023）。また、誘電率を測定することで密度を計測でき、この手法では 16 mm 空間分解能で密度のデータを得ることができる （Fujita et al.,2014; 2016）。近年、温暖化によってグリーンランド内陸部などでは夏季の積雪表面融解とその後の再凍結が頻出しており、融解再凍結により厚さ 1 mm 未満から 500 mm を超えるような氷を形成する（Iizuka et al., 2017; Kawakami et al., 2023）。こういった氷が形成されることで、積雪の密度のコントラストが深度方向に数 mm スケールで劇的に変化する。アイスコアの密度を測定することは、アイスコア掘削地点の年涵養量を復元するために重要であるが、数 cm 単位の密度測定では数 mm スケールの密度変動を正確に測定することができず、確度の高い年涵養量を測定することが困難である。
より分解能の高い密度測定方法には、X 線や g 線を氷試料に透過させ、氷の放射線吸収量から密度を算出する方法がある。筆者らはこれまで 1 mm 空間分解能で雪氷の密度を測定できる X 線、g 線透過法による密度測定装置を開発してきた（Hori et al., 1999; Fujita
et al., 2014）。g 線透過法による密度測定装置は Nanogray Inc. model PH-1100 を用いたもので、深度方向の分解能は 3.3 mm である（Fujita et al., 2014）。この装置の長所は弱い g 線量の装置であり、日本国法で管理区域を必要とせず、低温実験施設さえあればどこでも運用できる点にある。他方で、線量の弱さのため測定に時間が必要であり、例えば
3.3 mm 分解能の場合 3 m のアイスコアの測定に 80 時間を必要とする。X 線透過法による密度測定装置は Rigaku Inc.自動 X 線回折装置を用いたもので、深度方向の分解能は1 mm である（Hori et al., 1999）。この装置は深度方向の分解能が 1 mm で密度を測定できるが、0.2 mm のスリットから照射される X 線をアイスコアの長さ 1 mm ごと１パルスの測定を行うため、まれにグリーンランドのアイスコアから目視観察される 1 mm よりも薄い氷層がこの X 線透過法による密度測定装置で高密度ピークとして検出されないことがあった。そこで本研究では、簡便な計測の中では分解能の高い X 線透過法による密度測定技術を採用し、1 mm よりも薄い氷層を検出できるようにすることを主な目的とし、取り扱いが容易でシンプルに鉛直方向に 1 次元の mm スケールの密度プロファイルを取得できる密度測定装置を開発した。

雪氷試料の 1 m m 空間分解能の連続密度測定装置の開発
上述した 1 mm 空間分解能で雪氷の密度を測定できる X 線透過法による密度測定装置（Hori et al., 1999）は最大で 500 mm の雪氷試料の測定しかできなかった。アイスコアは
通常 450 － 550 mm の長さで切り分けられるため、これまで長さが 500 mm を超えた
1 mm 空間分解能のアイスコアの密度測定が困難であった。また、アイスコアは前後のア
イスコアセクションとの継ぎ目は必ずしも直線ではなく、様々な形状をしている。そのた

36

図 1

技術部で製作した、NSK 社のロ

図2

技術部で製作した X 線発生装置（手前）ボットモジュールに設置可能なと X 線線量検出器（奥の断熱箱内）のア

1.5 m のアイスコア架台。

タッチメント。

め、前後のアイスコアセクションをつないだまま密度を測定できるとアイスコアの端の部分の密度測定ロスが少なくなり、より高精度で連続な年涵養量を算出できる。そこで、前 後 の ア イ ス コ ア を 設 置 で き る よ う に 1.5 m の ア イ ス コ ア 架 台 を 技 術 部 で 製 作 し た（図 1）。1.5 m のアイスコア架台を NSK 社のロボットモジュールに設置し、PC から一定速度で 800 mm 移動できるようにした。その結果、複数のアイスコアセクションを架台に連続して載せられるようになり、かつ 800 mm の測定可動域を確保したことで、450 –550 mm の長さの 1 アイスコアセクションを前後のアイスコアをつないで連続に測定できるようになった。この架台は X 線の光軸 （幅 1 mm、高さ 10 mm のスリット） の中心から下方 45 mm に架台の表面の高さがくるように設置した。この理由は掘削したアイス
コアは直径が約 90 mm であり、両端の弧の部分を薄く切削し、ミクロトームをかけることで、ほとんどアイスコアを損失することがなく、厚さが一定 （高さ 45 mm） のアイスコ
ア試料に X 線が当たるように調整したためである。また、円柱の氷を設置できるようにガイドを取り付けており、円弧のアイスコアを架台に設置して密度を測定できる。他方
で、円柱用のガイドを容易に着脱でき、積雪試料や新雪など角柱や様々な形状の積雪試料を架台に設置・測定できる構造になっている。
低温研の低温室には管理区域が設定されている－17 ℃の部屋があり、その部屋に X 線発生装置を設置した。設置した X 線発生装置は（株）近畿レントゲン工業社の XMS-803（I-318） であり、X 線量の測定 （検出器） には RaySafe 社の RaySafe X2 R/F SENSOR を採用した （参考までに、両者あわせて 200 万円程度）。X 線発生装置から発生する X 線の
光軸上に線量検出器が取り付けられるようにアタッチメントを技術部で製作した（図 2）。

37

アタッチメントの下をアイスコアが稼働できるようにアタッチメントを X 線発生装置の上部に取り付けたこと、アルミの熱伝導が高いため、アタッチメントを空洞に加工し、ア
タッチメント部の金属温度 （－17 ℃） が X 線発生器や X 線検出器に伝わらないように工夫した。設置した X 線発生装置は不使用時には装置内のシリコンゴムが劣化しないようにラインヒーターと断熱箱によって＋6 ℃に保たれている。使用時には高温になるため、ラインヒーターの電源を OFF にし、断熱箱を外して－17 ℃環境で稼働する。設置した X
線発生装置は 30 – 80 kV、3.0 – 5.0 mA の X 線を発生できる。X 線量を安定化させるため
厚さ 5 mm の Al 板を透過させ、さらに鉛で作成した幅 1 mm、高さ 10 mm のスリットを通過することで、1 mm 分解能の X 線を雪氷試料に透過できる。設置した X 線検出器は＋15 – ＋40 ℃の範囲で稼働する仕様のため、不使用時も使用時もラインヒーターと断熱箱によって＋30 ℃に保たれている。X 線検出器は 40 ms ごとに X 線量率を測定でき、一回の測定で 999 s 間の X 線量率データを取得できる。また、専用のソフトを利用することで取得した X 線量率を Windows PC に取り込むことができ、エクセルファイルに X 線
量率のデータをエクスポートできる。
X 線発生中であることを明示するために、X 線発生中は X 線発生装置の近くに常灯す
る赤ランプを管理区域内に点灯する赤ランプを設置した （図 3）。また、X 線発生中に管理区域に侵入する扉を開けると自動的に X 線の発生が止まる配電リレーを組み、管理区
域の安全環境を構築した。これらの安全装置によって、被爆の可能性はほぼない。管理区
域外において、半年に 1 度、アロカ社の電離箱式の線量計を用いて線量漏れのチェックを行っている。2023 年 4 月及び 9 月の検査では 80 kV, 3.0 mA の X 線を発生させ、管理区域の方向を管理区域外から 360 度どの位置から測定しても放射線量は 1 µS h-1 以下であり、管理区域外での被爆は生じていない。

図3

低温研技術部で製作した管理区域内の安全装置の例 （装置使用時の赤色灯点灯）。

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X 発生装置の特性のため、最初の 300 s までは X 線量率が緩やかに減少し、その後 300 s
から 999 s の間は X 線量率が一定になる （安定する） ことを確認した。999 s 間の X 線量率の測定にあたり、安定した X 線量での密度測定をするために装置を稼働してから 300 s
までは氷の載せた架台を動かさず、300 s を超えてから 1.5 mm s-1 の速度で 800 mm 架台を移動させることにした。仮に 350 s で移動を開始すると 900 s までには 800 mm の移動が終了する。X 線透過量の測定は 950 s 程度まで行い、架台移動後の 900 から 950 s の空
気 を 透 過 し た 入 射 X 線 量 を、X 線透過量から密度に変換するために用いた。

X 線透過量と氷の厚さの関係
気泡が含まれていない市販氷からバンドソーとミクロトームを用いて、厚さが均一な 3.11, 4.90,
10.00, 19.76, 40.36, 59.23, 75.22 mm の氷板 （高さと幅が 60 × 60 mm 程度） を作成した。X 線量を安定化させるため厚さ 5 mm の Al 板を透過させ、さらに鉛で作成した幅 1 mm、高さ 10 mm のス
リットを通した状態で、30, 40, 60 kV の管電圧でX 線を発生させ、これらの氷の X 線透過量を測定した。図 4a に空気 （ダイレクトビーム）の X 線量
（Idirect） を含む、氷の厚さと透過した X 線量 I の関係を示す。ここで、空気の X 線吸収量は氷の X 線
吸収量に比べてほとんど無視できるため （例えば
管電圧 40 kV、氷厚 50 mm でも 0.2 %以下、Horiet al., 1999）、本研究では空気中の値と真空値と仮定する。60 kV, 4.0 mA で厚さ 5 mm の Al 板を通した X 線の透過量は Idirect で 1.31 R min-1 であり、氷が厚くなるにつれて減少し 75.22 mm の氷の X
線 の 透 過 量 （ I75.22 ） は 193 mR min-1 で あ っ た 。

図4

氷の厚さと透過した X 線量との関係。

40 kV、30 kV と管電圧を下げると X 線の透過量 Iは減少するが、どの管電圧でも氷が厚くなるにつれて X 線の透過量は減少する。氷の厚さ （mm）、空気の X 線量（Idirect）と氷を透過した後の X 線の透過量（I）には次式が成立する。
I = Idirect e-µx
ここで、µ は X 線吸収定数、x は氷の厚さ（mm）である。この式を変形すると、
ln （I/Idirect） = -µx39となる。図 4b に横軸に氷の厚さ x（mm）、縦軸に透過量比 ln（I/Idirect）をとった測定結果を示す。上述した式から図 4b の測定結果の近似曲線の傾きが吸収係数 µ となる。近似曲線の相関係数は r2 ＝ 0.999 以上と限りなく１に近く、吸収係数 µ は 60、40、30 kV でそれぞれ、0.0256、0.0314、0.0426 mm-1 であった。
図 5 に理論的な氷の厚さと X 線吸収率を示す。管電圧 20 kV では厚さ 43 mm, 40 kV
では厚さ 120 mm の氷で X 線量を 95 ％吸収する。このような低管電圧では、X 線吸収量が大きく、厚い氷を精度良く測定できない。他方で、厚さ 1 mm の氷における 70 kV や
80 kV の X 線吸収量は 2 ％未満である。吸収率が低すぎると薄い氷や比表面積の大きい
新雪を透過する X 線量に誤差が大きくなると考えられる。本研究では、新雪から厚さ90 mm のアイスコアの X 線透過量の誤差を少なくする測定することを目的とするため、
管電圧 60 kV を採用した。
表 1 は 60 kV, 4.0 mA の条件で氷の厚さごと 550 回測定した X 線線量率の平均値、標準偏差と変動係数を示している。氷が薄ければ薄いほど X 線線量率は大きくなるため、値が安定する傾向がある。氷がないときで変動係数は 0.43 ％、氷の厚さが 10 mm で0.49 ％、59.23 mm で 0.99 ％と概ねアイスコアの測定範囲内で 1 ％を下回っており、氷の厚さが 75.22 mm で 1.08 ％であった。アイスコアの場合、直径 90 mm の円柱の左右の弧をそれぞれ 10 mm 程度切断し、ミクロトームで研磨した後に密度を測定するため、最大で直径 70 mm 程度の雪氷試料を測定することになる。これらの評価は X 線が最も透過しにくいと考えられる氷化した後のアイスコアであってもおおむね 1 ％の誤差で X 線
透過量 （密度） を測定できることを示す。

図5

理論的な氷の厚さ、管電圧、X 線吸収率の関係。X-Ray attenuation & absorption
calculator のサイト*1 に記載されている水の X 線吸収量から、水の密度と氷の密度の比を用いて氷の吸収量を計算した。

＊1 https://web-docs.gsi.de/~stoe_exp/web_programs/x_ray_absorption/index.php

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表1

60kV, 4.0mA における氷の厚さと変動係数（CV）。

Ice Thickness (mm)The average value of X-ray transmission (R min-1)
The standard deviation (R min-1)
The coeffieient of variiation (%)

連続密度測定装置を用いた雪氷試料（アイスコア）の測定例
図 6a に 2021 年に掘削されたグリーンランド南東ドームアイスコアの深度 100 m までの 1 mm 分解能密度プロファイルを示す （黒：Kawakami et al., 2023）。すでに公開済のデータは約 70 mm 厚のアイスコアセクションを用いて X 線透過法による密度測定が行われた。このアイスコアの一部が約 15 － 25 mm の厚さで残存しており、その厚さ約 15－ 25 mm のアイスコアセクションを用いて、本研究で構築した X 線透過法による密度を測定した （図 6a の赤）。図 6a の黒と赤のデータを比較すると、両者の密度の絶対値や変動はよく合っている。深度 30 m 付近を拡大した結果を図 6b に示す。例えば、深度 33.5m 付近の極小と深度 34.5 m 付近の極大、それに続く急な密度の減少など、深度 30 m 付
近においても密度プロファイルは概ねよく合っており、本研究による密度測定結果は測定した試料の厚さが違うため厳密には同一試料ではことを考慮すると、本研究の測定は先行研究を再現できたと考えられる。

図 6

グリーンランド南東ドームアイスコアを用いた本研究 （赤） と従来型 （黒;Kawakami et al., 2023） の深さ１mm 分解能の密度測定結果の比較。a) フィルン
全体 （氷化深度 88m）。b) 深度 30m 付近の拡大図。

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参考文献
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42

永久凍土上のトウヒ疎林における自動開閉チャンバーによる土壌呼吸測定
甘田 岳 1、伊川 浩樹 2、渡辺 力 3、森 章一 4、斎藤 史明 4、藤田 和之 4、小林 秀樹 1
1. 海洋研究開発機構
2. 北海道農業研究センター
3. 水・物質循環部門大気陸面相互作用分野
4. 技術部装置開発室
周北極域における永久凍土上の北方林生態系では、その地温の低さから土壌有機物の分解速度が遅く、土壌中に膨大な量の炭素が蓄積されている。一方、近年の周北極域における急激な温暖化は、地温上昇や活動層厚 （永久凍土上にて夏季に融解する土壌層の厚さ） の増大、永久凍土の融解を引き起こし、土壌有機物が分解されやすくなることで、永久凍土からの温室効果ガス放出を促進する可能性がある。しかし、永久凍土上の北方林において、地温上昇や活動層厚増大が温室効果ガスに与える影響は充分に評価されていない。そこで本研究では、永久凍土上のクロトウヒ疎林において、人工的に活動層厚を増大させる土壌昇温実験を行った。直径約 6 m の昇温区とコントロール区を設営し、地温及び活動層厚のモニタリングを行った。また、土壌昇温による温室効果ガス放出の影響を評価するために、装置開発室開発の自動開閉チャンバーシステムを昇温区とコントロール
区に設置し、植物生育期を通して土壌呼吸速度 （土壌からの二酸化炭素の放出速度） のモ
ニタリングを行った。土壌呼吸速度は地温及び活動層厚のいずれとも関係した。また、予備解析の結果から、各区内でのばらつきが大きかったものの、コントロール区よりも昇温区の方で土壌呼吸速度が大きいことが示された。これらの結果から、短期であっても土壌昇温による活動層厚の増大が温室効果ガス放出を促進すると考えられた。

図1

土壌昇温区と自動開閉チャンバー。円状に接続されている設備が土壌昇温システム（長さ 1 m のヒーターが 38 本垂直に埋没されている）。
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編集後記
低温科学研究所技術報告第 29 号が発刊されることになりました。例年同様研究者（研究支援依頼）と技術職員（研究支援）がタイアップした報告となっています。
技術職員は研究者の研究支援依頼に応えるべく、様々な最新技術の情報収集、技術研修会などの参加により最新技術習得し、自己研鑽に努めています。自己を高められる（スキルアップ）環境を整えていただいている研究所内外全ての方々（特に教員・事務職員）に感謝し、なお一層の研究支援を行って参ります。

3, 4 年先になると、自分たちを含めて技術職員が一人二人と退職して行ってしまいます。現在の技術力を損なわないように技術の継承、教育を行っていきたいと思ってい
ます。

高塚 徹

2023 年 12 月発行
編集者：平田 康史、高塚 徹
北海道大学 低温科学研究所 技術部〒060-0819 札幌市北区北 19 条西 8 丁目