増子　治信

はじめに
　成層圏は、高度とともに気温が上昇する安定成層 をなしている。これはオゾン層が波長200〜320nm 付近の太陽紫外線を吸収して大気を加熱しているた めである。同時にオゾンは地表から放射される赤外 線も吸収して、大気の熱バランスを保つ働きもして いる。従って、オゾン層の変動は、地球規模の気候 変動に大きな影響を与える。また、オゾンが吸収す る太陽紫外線は生物学的活性紫外線と呼ばれ、地球 上の生物にとって有害で、遺伝子破壊などを引き起 こす。従って、成層圏オゾン濃度の減少による地上 への紫外線到達量の増加は、人体、家畜や農作物に 被害を及ぼすほか、自然界の生体系のバランスには かりしれない被害をもたらす。オゾン層破壊の原因 物質は人類の生産活動の結果生ずるフロン（クロロ フルオロカーボン：CFC）、亜酸化窒素（N2O）、メタ ン（CH4）などであり、これらは同時に強力な地球 温暖化ガスでもある。すなわち、オゾン層の破壊は 地球温暖化とも密接に結びついている。
　　

ミリ波・サブミリ波帯によるオゾン層観測
　オゾン層の観測は、地上からは紫外線の吸収を利 用したドブソン分光計、高層気球によるサンプリン グなど限られた方法で行われてきた。人工衛星によ る本格的な3次元グローバル観測は紫外線散乱分光 測定法によって1970年代後半から開始された。しか し、皮肉にも南極オゾンホールの最初の発見は、イ ギリスや日本のグループによる地上からの観測に よってなされた。これは、衛星観測データの処理を 行う際、非常に低い値を示すデータを異常データと して除去してしまったためである。この話は、デー タ処理を行う場合の姿勢に対して貴重な教訓を与え るものとして有名である。
　分子あるいは原子の電波による観測に最初に着目 したのは、電波天文学者である（これによって現在 電波天文バンドとして周波数割り当て上の保護を受 けている）。ミリ波帯の電波による上層のオゾンお よび微量ガス観測の可能性は20年以上前から提案さ れ、また天文観測用の電波望遠鏡を流用して観測が 試みられた。CCIRのレポートに受動型センサーに よる大気ガス観測用の好ましいバンドとして記載さ れている周波数帯は当時提案されたものである（た だし、現在ではすでに時代遅れの感がある）。ほと んどの分子はその構造上電気双極子モーメントを 持っている。酸素分子や窒素分子では電子の対称的 分布によって電気双極子モーメントを生じないが、 酸素分子の場合は特有の電子構造によって磁気双極 子モーメントを持つ。この電気／磁気双極子モーメ ントによって、分子の量子化された回転準位の間で 遷移が起こり、マイクロ波〜サブミリ波帯の電波を 放射・吸収する。高周波帯の電波が対流圏において 減衰を受けるのは、この原理によって水蒸気や酸素 分子に吸収されるためである。図1に、1000GHzま での周波数帯における各高度の大気の吸収スペクト ルを示す。放射・吸収の強度は大気中の分子の個数 に比例する。また、吸収スペクトルは、気圧と分子 の熱運動速度によって広がりを持つ。対流圏〜中間 圏における広がりの原因は、ミリ波・サブミリ波帯 では気圧によるものが主体で、この場合スペクトル 幅は気圧に比例する。従って、吸収／放射バンドの スペクトル観測によって、気圧と高度の関係から分 子密度の高度分布が測定できる。しかし、対流圏で は圧力バンド幅が極めて大きく、微量ガスのスペク トルを観測することは難しい。成層圏以上の高度で は図1に示されるように多数の微量ガスのスペクト ルが観測できる。高度分布の観測は、気球や人工衛 星による大気周縁方向（リム）観測によって、アン テナビーム幅の制限条件から、より直接的に行うこ とができる。さらに、リム放射観測では、背景が 2.7Kの宇宙放射であること及び観測通路長が長く コラム密度が大きくなることから、極めて高感度の 測定が可能である。図2に、地上観測と気球および 人工衛星によるリム放射観測の概念図を示す。これ に加えて、ミリ波・サブミリ波帯システムでは、電 波技術として開発されたヘテロダイン受信方式に よって、超高分解能（バンド幅1MHz（3×10^-5�p^-1） 以下）かつ超高感度の観測が可能で、微弱な微量ガ ス成分のスペクトルも十分に分離測定できる。この 方法によって、O3、ClO、HCl、BrO、HBr、HO2、 H2O2、HDO、NO、NO2、N2Oなど多数の分子の観測 が可能である。図3に、リム放射観測によるClO の推定観測輝度温度を示す。ちなみにオゾン層破壊 の元凶と目されるこのClOの濃度は一万分の一PPM 以下で、これはオゾン濃度の一万分の一よりさら に小さい。このような微量ガス成分がオゾン層を破 壊するメカニズムは触媒反応であり、オゾンを攻撃 する分子／原子は反応の前後で保存されながら次々 とオゾンを破壊する。塩素酸化物の場合塩素原子1 個あたり10万個のオゾンを破壊すると推定されてい る。

図１　各高度の吸収スペクトル
　　　高度20�qにおける多数のスペクトルはオゾンおよび微量ガスによるもの。

図２　地上観測と気球および人工衛星によるリム放射観測の概念図

図３　リム放射観測による一酸化塩素(CIO)
　　　ラジカルの輝度温度の計算例

システム開発上の問題点
　ミリ波・サブミリ波帯ラジオメーター／スペクト ロメーターは、アンテナ・光学系部、受信機部およ びスペクトロメーター部よりなる。開発要素が最も 大きいのは受信機部であり、中でもへッドの低雑音 ミキサーの開発が大きな問題となる。通常の半導体 ミキサーでは、短波長ミリ波帯の場合、20K冷却で 雑音温度は600K程度である。サブミリ波帯ではこ れが数千Kになる。オゾンは比較的濃度が濃く、地 上観測でも100K以上のピーク輝度温度が観測で き、現状の技術で問題はない。一方、ClOなどでは 地上観測でピーク輝度温度は数10mKしかなく、3 mK程度の感度が要求される。このため超低雑音ミ キサーの開発が望まれる。現在最も有望な技術は、 超伝導を利用したSISミキサーである。これは、 絶縁体膜を超伝導体でサンドイッチした構造で、純 粒子のトンネル電流を利用する。SISミキサーの利 点は、原理的に量子限界まで雑音温度を下げること が可能なこと（300GHzで約21K）、ローカルパワー が小さくてすむ（-40dBm以下）ことである。
　　

各国の動向
　ミリ波帯ラジオメーター・スペクトロメーターに よるオゾン観測手法は現在ほぼ確立されており、米 国ではこのシステムによる地上観測網を南極にはり めぐらす計画がある。地上観測は定点観測ではある が連続観測が可能で、オゾンや微量ガス成分の日、 季節、年変化などの追跡に優れている。従来の太陽 光吸収を利用するセンサでは夜間観測ができなかっ たが、本システムは太陽に依存せず夜間観測（極地 冬季観測）が可能である。オゾンや微量ガス成分の グローバル3次元分布測定では、衛星観測が唯一の 手段で、米国では来年9月打ち上げ予定の上層大気 観測衛星（UARS）に205GHz帯などのマイグロ波り ムサウンダー（MLS）を搭載し、ClOとオゾンなど の同時観測を計画している。この他に、スペース シャトルを用いた同様の観測計画もある。さらに、 米国では1999年打ち上げ予定の極軌道観測プラット フォーム2号機（POP-2）にMLSの搭載を検討して いる。POP-MLSでは560GHz帯、637GHz帯のサブ ミリ波帯システムも備え、20種類以上の上層大気ガ ス成分、気温、気圧、風、対流圏−成層圏相互作用 の観測などを計画している。しかし、ミリ波・サブ ミリ波帯システムの利用は始まったばかりであり、 実用システムの開発にはさらに研究が必要である。
　　

通信総合研究所の開発計画
　日本では、ミリ波・サブミリ波帯システムによる 上層大気観測の経験はほとんどない。通信総合研究 所では本年度からこのシステムの研究計画をスター トさせ、フィージビリティスタディを経て、来年度 より実際のシステム開発に取り組む。最初の3年間 で地上設置観測用のシステムを開発し、観測実験を 行う。さらに、高層気球搭載用のリムサウンダー・ システムを3年程度で開発し、観測実験を行う。高 層気球搭載システムは衛星とほぼ同じ条件で観測で き、将来の衛星搭載システムの基本技術の確立とデ ータ解析技術の確立を目指す。観測周波数帯として 現在200GHz帯と270GHz帯を検討している。リム サウンダーでは、600GHz帯などサブミリ波帯の積 極的利用を検討する。また、超伝導技術などミリ波 ・サブミリ波帯の先端技術を積極的に導入して開発 を進める計画である。
　　

おわりに
　これまで述べたように、ミリ波・サブミリ波帯ラ ジオメーター／スペクトロメーターは上層大気観測 において多くの優れた特徴を持つ。特に、地上から 上層の微量ガス成分を観測できるほとんど唯一のセ ンサである。また、オゾン観測においても、レーザ ーレーダーと比べて、短時間（10分程度）で広い高 度領域の観測が可能であること、システムが小型で 安価なことなどで優れている。衛星搭載において も、他の光領域のセンサと比べて信頼性のある観測 が可能である。欠点は、ミリ波・サブミリ波帯が電 波と光の中間領域にあり、利用技術の開発が遅れて いることである。地球環境の問題は人類の生産活動 の結果生じたもので、この点で経済大国として現在 ある日本の状況と密接に結びついており、日本はこ の問題に大きな責任を負っている。今後日本は、以 上述べたような先端的観測技術の開発などを通じ て、地球環境に関する研究の面でも積極的に世界に 貢献していくことが必要である。

（電波応用部　電波計測研究室　主任研究官）

柴　田　　隆

大気の運動
　最近話題になっているオゾン破壊や炭酸ガスによ る地球温暖化の予測や対策には、大気中の物質その ものの測定とともに、それらを輸送している大気の 運動を正確に知らなければならない。また、身近な 天気予報の精度を上げるためには、大気の運動を時 間、空間双方について高密度かつ高精度に知る必要 がある。このように、大気現象に関わるほとんど全 ての問題に、大気運動は重要かつ本質的な役割を演 じている。
　大気の運動は、その基本方程式を記述する5つの パラメータで表される。すなわち、風のベクトルを 示す三成分及び大気密度、大気温度の2つである。 従って、大気運動を知るには、これら5パラメータ を測定すればよいことになる。現在、これらの値は 主に気象観測網によって測定が続けられているが、 全地球的に見ると観測地点の分布にむらがあり、特 に海洋上は大きな観測空白域となっている。このこ とは、例えば精密な大気数値モデルの作成、気候変 動の正確な理解などへの重大な障害となっている。
　　

ライダーによる大気運動測定
　ライダー（レーザレーダ）はオゾンやエアロゾル の観測等で威力を発揮するだけでなく、上記大気運 動の諸成分も直接高精度で測定することができる。 風はレーザ光のドップラーシフトから、密度は散乱 光強度から、また、温度はレーザ光スペクトルの広 がり等から測定することができる。
　ライダーは、人工衛星から風ベクトルの測定が可 能と考えられるほぼ唯一の測定器である。風の全地 球的な分布を測定する衛星ライダー観測により、観 測地点の空白が埋まり、地球大気運動の研究が飛躍 的に進歩することが期待されている。このように、 ライダーによる大気運動測定は、 従来の測定手法の弱点を補い、空 白を埋め得る可能性を持つ。以 下、すでに実用段階に入った、中 層大気密度・温度測定用レーリー ライダー、および当所で開発して いるドップラーライダーを紹介す る。
　　

レーリーライダー
　レーザ散乱光の強度から大気密 度を測定する方法は、散乱が大気 分子によるレーリー散乱のみと考 えられる様な場合に有効である。 このような条件はエアロゾルの存 在しない上部成層圏以上（高度約 30�q以上）において成り立つ。 この種の中層大気レーリー散乱から大気密度分布を 測定するライダーはレーリーライダーと呼ばれてい る。中層大気は理想気体と静水圧平衡の関係がよく 成り立つので、測定した大気密度分布より、これら の関係を用いて温度分布を算出できる。すなわち、 レーリーライダーにより、中層大気温度分布を測定 することができる。レーリーライダーは20年以上前 から測定例があるが、大出力のNd：YAGレーザや XeFエキシマーレーザの出現した数年前から測定精 度が著しく向上し、実用的なライダーとしてその地 位を確保した。図1は筆者が九州大学において、Xe Fエキシマーレーリーライダーを用い観測した上部 成層圏から中間圏にかけての温度分布である。この 高度域はライダー以外ではロケットを用いた直接的 な方法以外に精度良く温度分布を測定する手段がな く、ライダーによる数分単位の温度分布のデータ は、この高度域での大気波動に関して貴重な知見を 与えつつある。

図１　XeFレーリーライダーによって
　　　観測された大気温度の高度分布

ドップラーライダー
　ドップラーライダーは、単色性の特に優れたレー ザ光を用い、散乱体の運動によるレーザスペクトル のドップラーシフトからライダー視線方向の大気運 動速度を求める装置である。風のベクトルを求める には、風の場の対称性を仮定して求める場合が多 い。現在、このドップラーラ イダー用として、十分狭帯域 で発振し、出力の大きなレー ザは唯一炭酸ガスレーザのみ である。図2は当所で開発し た炭酸ガスドップラーライダ ーで観測した風向・風速高度 分布の時間変動である。この ライダーでは受信にコヒーレ ント（ヘテロダイン）検出を 用いており、それにより高感 度を実現している。

図２　炭酸ガスドップラーライダーによって
　　　観測された風向・風速高度分布の時間変動

　ドップラーライダーは、よ り長波長の電波を用いたレー ダによる風の遠隔測定と比較 すると、送信ビームの広がり が数桁小さく、その分、空間 分解能の高いデータを得るこ とができる。そのため地表が らの散乱による擾乱も存在し ない。また、装置全体の寸法 は、レーダではアンテナの寸 法で決まり、おおよそ10mもしくはそれ以上のオ ーダーであるのに対し、ライダーでは大口径の望遠 鏡を用いても1mのオーダーである。従って、すで に触れたように、ライダーは自動車、航空機、人工 衛星などに搭載して広範囲の機動的測定が可能であ る。当所では、開発したドップラーライダーを自動 車搭載型に改造予定であり、移動しながら種々の大 気測定機器と同時観測を行うことを計画している。
　　

ライダーとレーザ開発
　ライダーは大気運動測定用の装置として大きな可 能性を有しているにもかかわらず、実際の観測に応 用され、さらにその結果が大気科学に新しい情報を 与え始めたのは、高々ここ数年のことである。これ はひとえにレーザの性能の向上によっている。レー リーライダーでは大出力のパルスレーザが、ドップ ラーライダーでは狭帯域、高出力のパルスレーザが 必要であった。また、ライダーに用いるレーザは実 用的な測定器として、十分な信頼性のあるレーザで あることが望まれる。このような条件は、現在でも わずか数種類のレーザで実現されているにすぎな い。原理的にライダーで測定可能な大気運動の諸要 素も、使用し得るレーザが存在しないことから測定 が実現していない場合がほとんどである。言い替え れば、ライダーによって得られるであろう種々の大 気運動の情報獲得の成否は、測定を可能とする新し いレーザの開発の成否によっているのが実状であ る。このような認識に基づき、当所では新しいレー ザの開発もあわせて進めている。なお、ここで紹介 したドップラーライダーの開発は科学技術庁科学技 術振興調整費によって開発されたものである。

（電波応用部　光計測研究室　主任研究官）

電波応用部　宇宙環境計測研究室

　研究室の歴史は古くて宇宙科学研究所を数年前に 退職された平尾先生が昭和36年に初代の室長となっ た「電離気体研究室」が最初で、以来なんべんも名 前は変わったが、研究室の場所は動かずに現在に 至っている。その頃から研究の中心は当時ようやく 日本でも可能となった飛翔体（ロケットや人工衛 星）に搭載する測定器の開発と観測であった。特に 超高層のプラズマを“その場”で測る測定器を中心 にして日本のロケット・人工衛星の歴史とともに歩 んできた。中でも日本初の実用衛星として電波研究 所を中心に開発された「電離層観測衛星」は当研究 室にとって大きなプロジェクトであった。

　現在の主な仕事はカナダ国立研究院（NRC）、宇宙 科学研究所との共同研究として昭和58年から始まっ た「EXOS-D衛星によるイオン組成観測」で、オー ロラにともなう磁気圏内での諸現象の研究が目的で ある。平成元年に衛星が無事打ち上げられて観測を 開始してからはNRCのメンバーと一緒にデータ処 理と解析を行っている。佐川が主に担当しているが、 所内では電波部の研究者の人たちも参加していて、 中でも電磁圏伝搬研の渡辺氏は精力的にデータ解析 を進めている。人工衛星の完成まではたびたびカナ ダから人がきて打ち合わせを行ったが、お客さん持 参の牛肉で所内で二回ほど「ビフテキパーティー」 を開いたことが楽しい思い出である。将来の計画と して飛翔体による観測の次のターゲットである地球 型惑星（金星・火星）の電離圏・磁気圏をめざした 測定器の開発を三宅研究官を中心に進めている。

　水津主任研は主にマイクロ波帯の新しいレーダー の開発を進めており所内外のリモートセンシングの グループの協力を得て稲の散乱特性の計測を行って きた。また最近では極地研究所と共同で南極で使用 できるクレバス探査用のレーダーの開発を行い、将 来の実用化をめざして南極での実験を準備してい る。この他のプロジェクトとしては巌本主任研を中 心に進めてきた科学技術庁振興調整費による「レー ザー流速計の開発」が最終報告書をまとめている段 階にある。

　昔に比べると研究室のメンバーの数が減って平均 年齢が上がってきたために活気は少なくなったけれ ど、その分所内外に仲間の輪を広げてプロジェクト を進めている。仕事以外の面を紹介するスペースが なくなったが、部屋のドアはいつでも開いているの で興味のある人は是非遊びにきてほしい。あるいは このドアは宇宙につながる「どこでもドア」かも。

（佐川　永一）

左から、水津、巖本、三宅、佐川