トロムソナトリウムライダーのデータ紹介および研究成果

トロムソナトリウムライダーのデータ紹介および研究成果
野澤悟徳（名古屋大学）、川原琢也（信州大学）、斎藤徳人（理研）、川端哲也（名古
屋大学）、津田卓雄（極地研究所）、高橋透（名古屋大学）、和田智之（理研）、藤原均
（成蹊大学）、堤雅基（極地研究所）、大山伸一郎（名古屋大学）、小川泰信（極地研
究所）、鈴木臣（名古屋大学）、藤井良一（名古屋大学）
目次
1 トロムソ拠点観測
２トロムソナトリウムライダーデータとその公開
３トロムソナトリウムライダーの研究成果
http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/~nozawa/indexlidardata.html
EISCAT radar site at Tromsø (69.6°N, 19.2°E)
EISCAT VHF radar
EISCAT UHF radar
MST radar
Sodium lidar
Imagers/
photometer
FPI
All sky imager
Photometer
Aurora imagers
(NIPR)
Meteor radar
(NIPR)
MF radar
幅広い高度カバーレンジが大事
Quasi-2 day wave
EISCAT
MF
Nozawa et al., JGR, 2003
ナトリウムライダーの導入の理由
•
•
•
•
中性大気温度を測る。ー＞加熱の定量的評価
中性大気風速を測る。
高い時間分解能（６分）
幅広い高度域８０−１１０ km
（中間圏界面付近：大気波動の散逸）
×晴天が必要。。まあ３−４割の晴天率。
×夜間のみ。でも冬至付近なら２１時間観測可能
Our observations cover a wide height range from 70 to 120 km at Tromsø.
Neutral particles
EISCAT
95-120 km
U, and Ti
5 min
Altitude
Meteor radar
80-100 km
U
60 min
FPI (green)
~110 km U
~3 min
Na Lidar
80-110 km
Tn, U
~6 min
MF radar
70-90 km
U
5 min
Jan 2009
Oct 2010
トロムソナトリウムライダーデータとその公開
Characteristics of our LIDAR
1. High power (max 4W)
2. Temperature, Na density and wind
measurements
3. All-solid laser (Stable)
4. High frequency control using a sodium cell
5. Quick wavelength switching using AO.
6. 5 beams / 5 receivers
7. Easy to handle (You can join us!)
分解能は、5 sec/96 m -> 2 km/30 minを公開
The sodium LIDAR at Tromsø
Started operation on September 29, 2010
The LIDAR can measure neutral temperature,
sodium density, and wind
between 80 and 110 km.
ライダー観測モード最初の２シーズンは鉛直モード
1 beam for Oct 2010-Mar 2011 and Nov 2011- Mar 2012
Temperature variation on December パワーモニター
17, 2011
0.1%以下の漏れ光にて測定
with 6 min resolution: up to 113 km, down to 77 km
ライダー観測モード２０１２年冬から５ビーム
5-beam, zenith=30° for 2012 Oct – 2013 Mar
Variation of temperature/win/Na
in altitude and in space
58 km 58 km
58 km 58 km
Distance between the vertical position
and North/South/East/West positions
is about 58 km@100 km
ライダー観測モード２０１３年シーズンは、天頂角12.5度の５ビーム観測
5-beam, zenith=12.5° for 2013 Oct – 2014 Mar
22 km
separation
ライダーにより取得した東向き風の時間変動
Comparison of eastward winds between NTMR and LIDAR on November 30, 2012
Red : westward beam
Blue : eastward beam
Yellow: (Veast-Vwest)/2
Black solid: Meteor radar
Meteor echo
LIDAR
Comparison of wind velocities between LIDAR and MR for a night of November 30, 2012
Red: originaly southward (rx2) and westward (rx4) directions
Blue: originaly northward (rx3) and eastward (rx5) directions
Data公開：現在、サマリープロットを公開中。
３トロムソナトリウムライダーの研究成果
• 2010年10月から稼働
2010年シーズン 256時間
2011年シーズン 830時間
大気温度、Na密度データを取得
2012年シーズン 558時間
2013年シーズン 688時間
＋風速データ
・GRLに2編：Tsuda et al., 2011, 2013
•JGRに２編：Matuura et al, 2013
Nozawa et al., 2014
中性大気－プラズマ結合の研究（ジオスペースが中性大気に与える影響）
Fine structure of the sporadic sodium layer on January 11, 2011
Counts （5sec x 96m）
３時間ほどナトリウム
密度が増大(SSL)
７分程度の周期変動を
クリアーに示した
（北極域で初）。
高時間分解能を活かして
SSLの成因を議論。
（ライダー、MFレーダー、流星レーダー）
Tsuda et al., GRL, 2011
ナトリウム密度変動とオーロラ降下粒子の関係: EISCAT and Na LIDAR
Tsuda, T. T., et al. (2013), grl.50897.
オーロラ粒子降下により
ナトリウム密度減少
Sodium density decrease
during high Ne (i.e., strong
particle precipitation)
No Ti enhancements
(indicating no E-field)
Figure 3. (a) Deviation from averaged sodium number density at each height (Ns-Deviation), (b) the averaged sodium number density (Ns-Average),
and (c) the ion temperature (blue) at 154 km and the neutral temperature (black thick line) from the NRLMSISE-00 model [Picone et al., 2002]. Black
and gray lines overlaid on the Ns-deviation indicate the electron densities of 3×1011 and 2×1011 m−3, respectively.
SSLが発生。空間構造を捉えた？ 21-23 UT on Dec 15, 2013
V
S
N
W
E
水平方向の大気温度変動
Spatial difference of temperature
Averaged temperature over night
Mesopause is located
at 100 – 104 km
Lapse rate
= -2.5 K/km
Lapse rate =
-3 K/km
Evaluation of Joule heating using
simultaneous EISCAT-LIDAR data
q J (W/m ) = s p E
3
2
^
Evaluation of Joule heating using
simultaneous EISCAT-LIDAR data
Energy balance of Tn and Ti
Neutral gas temperature from LIDAR
Joule heating
Ion temperature from EISCAT
Electron-ion heat
exchange
Nozawa et al., 2013
Comparison of Tn (LIDAR) and Ti (EISCAT) on
October 5, 2010
電場が小さい＆低い高度（１０４km）で Ti=Tnがほぼ成立
Relatively quiet night
Nozawa et al. JGR, 2014
Variation of temperature on January 21, 2012
E-field
enhanced
interval
18-23 UT
Tn (LIDAR) vs Ti (EISCAT) for 18-23 UT on January 21, 2012
Difference
~30 K
@110 km
Ti > Tn
Ti
Tn
Contributions of joule heating (black open circle),
and electron-ion heat exchange (black small filled circle)
Are compared with difference (Ti-Tn: red) for 18-23 UT on January 21, 2012
Ti-Tn
Electron-ion heat exchange
Joule heating
Tn=Ti
Difference is sometimes larger than sum of contributions of
Joule heating and electron-ion heat exchange.
将来計画
北欧において対流圏から熱圏までカバーする観測を実施
EISCAT_3D
90-120 km
U, and Ti
1 min
中層大気・風速・微量成分
観測システム
FPI (green)
Meteor radar ~110 km
Na Lidar
80-100 km
or 97 km 80-110 km
U 60 min
U
MF radar
Tn, U ~5 min
~3 min
70-90 km
U 5 min
高
度
EISCAT_3D
5 – 30 km
U
レイリー
ライダー
30-80 km
Tn 10min
ミリ波
受信器
40-70 km
NOx,HOx,O3
Summary
トロムソナトリウムライダー
２０１０年１０月稼働して、４シーズン終了
大気温度、ナトリウム原子密度、風速
2300時間(風速1250時間）
データー公開
http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/~nozawa/indexlidardata.html
研究課題：大気温度・風速変動
太陽風エネルギー注入に対する応答
下層大気からの影響
SSLの生成・維持・消滅

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