DPFサイエンス検討会 2009年11月24日（火） 東京大学理学部４号館1320号室 衛星による重力場測定概観 京都大学大学院理学研究科 福 田 洋 一 話 題 • 衛星重力ミッション • 静的（平均）地球重力場 • 時間変動地球重力場 • 将来ミッション 衛星重力ミッション ARISTOTELES (Gradiometer) , STEP (SC Gradiometer) , many others were not approved…. CHAMP (2000.7.15) － CHAllenging Mini-satellite Payload for geophysical research applications － H-L Satellite-to-Satellite Tracking GRACE (2002. 3.17) － Gravity Recovery And Climate Experiment － L-L Satellite-to-Satellite Tracking (Microwave Link) GOCE (2009.03.17 ) － Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer － Gravity Gradiometer GRACE-FO (20??) － NASA EX-5 Mission － L-L Satellite-to-Satellite Tracking (Laser Link) 静的地球重力場の決定 地球重力場モデルの発展 ・・ 120 EIGEN3S GGM01S 110 100 Degree of Gravity model 90 80 EGM96S JGM-3 ・・ 70 60 GEM-T3 GRIM4-S2 ・・ 50 GRIM3-L1 GEM-10B GEM-9 40 30 20 10 0 1950 ・・ Kaula Kozai Itzsak J2 ・ ・・ 1960 Gaposchkin Rapp 1970 ・ ・・ ・ (Montenbruck et al. 2000に加筆) 1980 1990 2000 2010 GRIM5-S1 Model (2000) 30年にわたる21衛星の軌道を使用 膨大なデータ解析 Up to Degree 99 and Order 95 の地球重力場モデル CHAMP CHAMPによる 重力場決定 ・GPS追跡による軌道決定 ・衛星搭載の加速度計 EIGEN-CHAMP03S 33ヶ月間のCHAMP衛星データのみ 120次まで GRACE Mission GRACEによる重力場モデル GGM01S 120次まで 111日間 GGM02S 160次まで 363日間 No Kaula constraint EIGEN-GRACE01S 120次まで 39日間 EIGEN-GRACE02S 160次まで 110日間 GOCE 地球物理学的応用 海面形状と海流 海面形状の決定 http://www.jason.oceanobs.com/html/ actualites/applis/welcome_uk.html http://grace.jpl.nasa.gov/dot.html 重力 vs 地形 Coherence （数１0km～） 衛星による重力場モデルの改良 これまでの重力モデル GOCE European Space Agency (1999) 軌道高度による重力場決定精度 (NRC, 1997) http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/ICGEM.html 時間変動重力場 ＧＲＡＣＥ Level 2データ 重力場球面調和関数係数（Stokes係数）時系列 GM V R R l 0 m 0 r l l 1 Plm (sin )(C lm cos( m ) S lm sin( m )) 重力ー＞表面密度変動 GM V R R l 0 m 0 r l l 1 Plm (sin )(C lm cos( m ) S lm sin( m )) Cl ,m (t) 3 1 k ' 1 cos m l d . ( , ,t)P (cos ) l,m 4 2l 1 R sin m S (t) l,m ave Earth Δρ：面密度の変化 ⇒大気、海洋、陸水などの量変化をΔρであらわす。 GRACEデータの応用 Tapley et al., Science, Vol. 305, July, 2004 Chan et al. (2006) 陸水変動 氷床変動 地震 水循環研究へのGRACEの意義 P=E+R+G+⊿S P:降水量 E：蒸発散量 R：河川流出量 G：地下水流出量 ⊿S：地下水貯留量 (土壌水分含む） GRACE detected 2006 Australian Drought Historic drought struck in 2006 (2006 Drought statement) -10 -20 -30 -40 GRACE vs SG 110 -100 120 130 140 150 -50 0 50 TWS trend [mm/year] by GRACE 160 100 Satellite Gravity Measurements Confirm Accelerated Melting of Greenland Ice Sheet Chen, Wilson, Tapley, Science, 313, 2006 スマトラ地震 Postseismicな重力変化 20 20 10 10 0 0 -10 -10 80 -12μgal -6 90 100 0 110 6 地震後４ヶ月まで 80 120 12μgal -12μgal -6 90 100 0 110 6 地震後２年まで 120 12μgal 将来の衛星重力ミッション GRACE GOCE ICE Bottom Topography PLANETS Static Ocean Circulation Bathymetry Coastal Currents Mantle Convection Secular Decadal Global Height System Solid Earth Oceans Ice hydrology Geodesy Planets Tectonics Isostatic Adjustment Sea level Change 1cm 0.1mm 1μm Polar Ice Mass Balance Sea Ice Hydrology Interannual Ocean Bottom Current Seasonal Post-Seismic Deformation Sub-seasonal AtmoSphere Diurnal Semi-diurnal Slow+Silent Earthquakes Solid Earth & Ocean Tides Volcanos Core Modes After Haagmans & Rummel (GGSM 2004, Port) Co-seismic Deformation Instantaneous 10000 1000 100 10 1 (km) Challenges for Future Missions ICE Bottom Topography PLANETS Static Ocean Circulation Airborn, Surface Bathymetry Coastal Currents Mantle Convection Secular Decadal Tectonics Isostatic Adjustment Sea level Change Global Height System Polar Ice Mass Balance Sea Ice Hydrology Interannual Seasonal Sub-seasonal Ocean Bottom Current GRACE & GOCE AtmoSphere Diurnal Semi-diurnal Post-Seismic Separation Deformation of Effects Slow+Silent Earthquakes Solid Earth Oceans Ice hydrology Geodesy Planets Solid Earth & Ocean Tides Volcanos Core Modes After Haagmans & Rummel (GGSM 2004, Port) De-Aliasing Co-seismic Deformation Instantaneous 10000 1000 100 10 1 (km) Challenges for Future Missions ICE Bottom Topography PLANETS Static Ocean Circulation Bathymetry Coastal Currents Mantle Convection Secular Decadal Solid Earth Oceans Ice hydrology Geodesy Planets Tectonics Isostatic Adjustment Sea level Change Global Height System Polar Ice Mass Balance Sea Ice Hydrology Interannual Ocean Bottom Current Seasonal Post-Seismic Deformation Sub-seasonal AtmoSphere Diurnal Semi-diurnal Slow+Silent Earthquakes Solid Earth & Ocean Tides Volcanos Core Modes more satellites Co-seismic Deformation Instantaneous 10000 1000 100 10 1cm 0.1mm 1μm 1 (km) After Haagmans & Rummel (GGSM 2004, Port) ま と め • 衛星重力観測により地球重力場の研究は飛躍的 に進展した • 特にGRACEによる時間変動重力場の観測は、 広範囲な地球科学分野で利用されている • 将来的には、SSIミッション（2020年以降？）に期 待が寄せられる • GRACEの寿命は2012～13と推定されており、 GRACE後続ミッションは早くて2016以降（？） • この観測ギャップを如何に埋めるか？？？
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