宙空環境情報ネットワーク(GIN)リサーチコア


  1. 研究組織
  2. 設置の目的及び必要性
  3. 当該研究に関する国内外の状況
  4. 研究・教育に期待される効果
  5. コアの研究計画
  6. コア設置後の管理運営計画
  7. 宙空環境科学に関わる関連情報の発信

1.研究組織


研究組織(部局名・職・氏名)
氏名研究院・部門・講座名等職名
(研究代表者)
吉川 顕正 国際宇宙天気科学・教育センター
理学研究院
講師
(研究分担者)
羽田 亨 国際宇宙天気科学・教育センター
総合理工学研究院
センター長
教授
廣岡 俊彦 国際宇宙天気科学・教育センター
理学研究院
副センター長
教授
花田 俊也 国際宇宙天気科学・教育センター
工学研究院
教授
田中 雅慶 国際宇宙天気科学・教育センター
総合理工学研究院
教授
西井 龍映 国際宇宙天気科学・教育センター
マス・フォア・インダストリ研究所
教授
神庭 重信 国際宇宙天気科学・教育センター
医学研究院
教授
林 信哉 国際宇宙天気科学・教育センター
総合理工学研究院
准教授
河野 英昭 国際宇宙天気科学・教育センター
理学研究院
准教授
フイシン リュウ 国際宇宙天気科学・教育センター
理学研究院
准教授
三好 勉信 国際宇宙天気科学・教育センター
理学研究院
准教授
池田 大輔 国際宇宙天気科学・教育センター
システム情報科学研究院
准教授
渡辺 正和 国際宇宙天気科学・教育センター
理学研究院
准教授
原田 賢介 国際宇宙天気科学・教育センター
理学研究院
講師
中島 健介 国際宇宙天気科学・教育センター
理学研究院
助教
松清 修一 国際宇宙天気科学・教育センター
総合理工学研究院
助教

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2.設置の目的及び必要性


 人間活動が宇宙空間へ拡がろうとしている21世紀において、”宇宙天気”の 予測・予報やスペース・デブリ(宇宙ゴミ)に関わる基礎研究の重要性が高まる なか、国際学術連合(ICUS)の太陽・地球系物理学に関する科学委員会(SCOSTEP) においては、2004年から国際協同研究プログラムCAWSES (“Climate” and “Weather” of the Sun-Earth System) 「宇宙天気・宇宙気候」を推進するこ とが決定され、また、国際宇宙デブリ調整委員会 (IADC) 会議では、追跡飛翔物 体の軌道要素履歴の解析から破砕した可能性のあるゴミが多数存在することが報 告され、宇宙ゴミ観測の継続と効率化、並びに分布地図の詳細化による現状予測 の重要実施項目が指定された。
 これらの問題は、わが国の日本学術会議においても緊急な国際対応が必要で重 要かつ急務な課題となっており、九州大学も地上ネットワーク観測や地上プラズ マ模擬実験、宇宙ゴミの検出装置開発など、独自の宙空環境変動に関わる研究の 実績をあげてきたことから、九州大学独自の研究方法による国際貢献が大いに期 待されている。このような背景及びこれまでの実績を踏まえ、最新のハイテクノ ロジー通信システムを用いた準リアルタイム地上ネットワークの構築、大型地上 プラズマ模擬実験施設の整備や膨大なデータの統計理論解析研究による新しい宙 空環境科学の創造と宇宙天気予報や宙空デブリ警報などの実用化に向けた基礎的 研究を推進するための九州大学独自の教育研究体制とこれらの情報を国内外に発 信できる体制が、平成14年4月に学内共同教育研究施設である「宙空環境研究 センター」として発足した。
 本リサーチ・コアの目的は、この宙空環境研究センターを核にして、九州大学 が長年、独自に蓄積してきた環太平洋・磁気赤道地磁気ネットワークによるグロー バルな地上リモート観測の手法とデータをもとにしつつ、地表からおよそ8万km 上空の地球磁場に支配された宙空領域の環境が太陽面爆発などの突発現象により どの様な社会的影響(第1図)を 受けるかその変動メカニズムを理解し、さらに、観測点の緯度・経度分布を密に したネットワークを新たに展開した観測からその宙空プラズマ構造の変化を診断 することによって、九州大学として特徴ある“宇宙天気”予測・予報のための” 非線形の複合系物理学”を創成し、新たな教育と基礎研究を促進させることにあ る。また、複合システムである宙空領域での複雑な物理現象を真に理解するため には、グローバルな地上ネットワーク観測研究に加え、宙空領域に存在する宇宙 プラズマのカオス的振る舞いやプラズマ波動・擾乱を真に理解するための大型地 上模擬プラズマ実験や新しい統計数理解析を導入することが必須であり、国内で 卓越した学際的な教育研究を展開することによって、新しい宙空環境科学の創造 に大きく貢献していくことにある。一方、宇宙物体やゴミの分布については、九 州大学が諸機関の観測データを基に構築した静止軌道ゴミ分布地図GEODEEMを用 いて現状を解析・予測している。しかし、これをより正確なものにし、その妥当 性を証明するためには、地上からでは観測できないサイズ数cm〜数十μの物体を 観測する必要がある。それを実現するシステムとして、人工衛星搭載用の小型軽 量カメラを用いて人工衛星の表面観察を行うシステムを開発し、人工衛星(通 信,気象,科学など)に搭載して微小デブリの観測を実施し、これらのデブリ情 報を国内外の関係機関や民間の報道機関に発信する体制を強化する必要がある。
 九州大学の各部局によって行われているこれらの宙空環境に関する研究を集約 し、分野横断的で学際的な新領域創造のための教育研究を展開することにより、 九州大学独自の中核的な研究拠点(宙空環境情報ネットワーク(GIN)リサーチ・ コア)の創設と発展をはかり、学内外、国内外や社会に情報発信することが最大 の目的である。

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3.当該研究に関する国内外の状況

 人間活動が宇宙空間へ拡がろうとしている21世紀において、”宇宙天気”の 予測・予報やスペース・デブリ(宇宙ゴミ)に関わる基礎研究の重要性が高まる なか、国際学術連合(ICUS)の太陽・地球系物理学に関する科学委員会(SCOSTEP) においては、太陽地球系空間の全体にわたって領域相互間に流れるエネルギー、 物質、そして運動量の輸送を相互に作用している一つのシステムとして捉えた定 量的理解へと進めるために、2004年から国際協同研究プログラムCAWSES (“Climate” and “Weather” of the Sun-Earth System) 「宇宙天気・宇宙気 候」を推進することが決定され、また、米国の探査機(ボイジャー)が太陽系境 界に達し、人類の生活圏が太陽系に拡がったことと、1957年の国際地球観測年の 50周年を記念し、宇宙のユニバーサルな物理過程の解明と、草の根的宇宙科学の 啓発の為の国際太陽系観測年が2007年から開始した。一方、国際宇宙デブリ調整 委員会 (IADC) 会議では、追跡飛翔物体の軌道要素履歴の解析から破砕した可能 性のあるゴミが多数存在することが報告され、宇宙ゴミ観測の継続と効率化、並 びに分布地図の詳細化による現状予測の重要実施項目が指定された。わが国でも 日本学術会議や各学会レベルでも、緊急な国際対応が重要かつ急務な課題となっ ている。これまで宇宙天気に関わる基礎研究で実績を挙げてきた九州大学は、地 上ネットワーク観測や宇宙ゴミの検出装置開発など、独自の宙空環境変動に関わ る教育研究で国際貢献することが国内外から大いに期待されている。
 また、大学院総合理工学研究院では、中性大気と電離大気が混合する宇宙環境 を地上プラズマ実験室でシミュレーションするために、西日本地域の拠点として、 対象となる弱電離プラズマの生成と制御、基礎的な弱電離プラズマの物性(電磁 波動特性、境界層での渦やカオス等の非線形現象、太陽風と関連するビームと弱 電離気体との相互作用)について詳細な基礎実験結果が積み上げられてきた。さ らに、宇宙プラズマの擾乱・波動現象を非線形・非平衡・非定常な多体系として 捉え、その物性的性質を理論および計算機シミュレーションにより理解するため の研究も実施してきた。
 一方、宇宙天気の予測に関する宙空環境科学の研究分野においては、これまで、 太陽面爆発や太陽風擾乱が現在の地球磁気圏-電離圏-大気圏に及ぼす影響とそれ らの問題を最小限にするための解決について最も注目されてきたが、地球固有の 磁場が500年スケールの近未来に無くなったとき激変する宙空環境や金星電離大 気圏との類似性、差違性については、ほとんど議論されてこなかった。そこで、 近未来の地球環境として金星電離大気圏を捉え、特に、これまでの人工衛星・惑 星により得られた境界層付近のデータ解析や地上プラズマ模擬実験から、特に、 境界層における渦やカオスなどの非線形波動現象やイオン流出過程について解明 する必要性がでてきた。
 本リサーチ・コアにおいては、地上大型実験室内に直線型大容量プラズマを高 周波及びマイクロ波により生成し、そのプラズマ中に地球磁場を模擬する球状磁 石を設置し、さらに、太陽風を模擬したプラズマイオン流を入射した模擬実験を することによって、太陽風(プラズマイオン流)と地球磁気圏(球状磁石が支配 する領域)や金星電離大気圏との相互作用、境界域でのエネルギーの流入過程や プラズマ擾乱の振る舞いを時空間の振る舞いとして捉えた理解が飛躍的に進むも のと確信している。

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4.研究・教育に期待される効果

(1)研究分野への波及効果
 本リサーチ・コアにおける(1) 組織的でグローバルな環太平洋地磁気ネットワー クを用いた宙空環境観測と飛翔体による微笑宇宙デブリ空間分布観測、(2) 地上 プラズマ模擬実験室による現在の近未来の地球周辺の宙空環境や境界領域のシミュ レーション、(3)膨大なデータの情報処理、大規模な数値実験や理論解析の3つ の手法を相補的に用いた研究により、21世紀の宇宙活動において不可欠となる "宇宙天気"の予測・予報や宇宙デブリ警報に関わる基礎研究が格段に進展する。 また、これまでほとんど研究されていなかった宙空(地表から地球磁場が支配す る領域)の非一様で異なる物質で充たされた圏を跨いだエネルギーの輸送や物質 変換の物理諸過程や、突発的に発生するフレアー、オーロラなどの崩壊(状態遷 移)現象の発現機構など、”非線形の複合系物理学"の萌芽的研究分野の創生や 多くの研究成果に波及する。さらに、地磁気生理学や宇宙生物学などの新しい医 学・生物学分野への波及効果が大いに期待される。
 宇宙天気の予測に関する宙空環境科学の研究分野においては、これまで、“現 在”の太陽面爆発や太陽風擾乱が現在の地球磁気圏-電離圏-大気圏に及ぼす影響 とそれらの問題を最小限にするための解決について最も注目されてきたが、500 年スケールの“近未来”の地球固有の磁場が近未来に無くなったとき激変する宙 空環境や金星電離大気圏との類似性、差違性については、ほとんど議論されてこ なかった。本リサーチ・コアでは、地上大型実験室内に直線型大容量プラズマを 高周波及びマイクロ波により生成し、そのプラズマ中に地球磁場を模擬する球状 磁石を設置し、さらに、太陽風を模擬したプラズマイオン流を入射することによっ て、近未来の地球環境として金星電離大気圏を捉えた、特に、境界層における渦 やカオスなどの非線形波動現象やイオン流出過程についての形態を時空間の振る 舞いとして捉えた理解が飛躍的に進むものと確信している。
(2)教育的波及効果
 本リサーチ・コアで企画された宙空環境観測に関わるプロジェクトを実施する ことによって、特に、東南アジア、極東シベリア、南米諸国などとの宙空環境科 学に関する共同研究の進展や若手研究者間の育成のための国際交流などが促進さ れ、我が国に対して強く要請されている知的国際貢献にも応えられる。また、九 州大学の中核的研究の拠点として我が国の次代を背負う、広い国際的視野と優れ た能力を持つ若い宙空環境科学研究者の育成も促進される。
 さらに、わが国の21世紀に向けた”宇宙天気”の基礎研究としての宙空環境 科学の推進に大きく寄与し、生活圏が宇宙に拡がるとともに社会的効果も益々大 きくなる。また、九州大学のみならず西日本地区全大学の宙空環境科学系の研究 機関の研究活性化につながり、研究水準の向上に直接大きく波及するものと期待 される。さらに、環太平洋域の極東ロシア、西アジアや南米の発展途上国にも十 分この環太平洋ネットワークシステムや大型プラズマ模擬実験施設の直接恩恵に あずかる範囲にはいる。
(3)社会的波及効果
 最新の高度の通信システム技術を用いた世界各地に散在する多点の観測点から の膨大な観測データをリアルタイムで収集できるシステムと宙空環境を地上でシ ミュレーション出来るプラズマ実験室の確立には、宙空ネットワーク観測に適し た観測・通信・収集システムと実験に適した高真空・プラズマ発生・プラズマ計 測システムを開発する必要がある。これらの開発は、大学の研究者と企業の技術 者が共同で行う必要がある。したがって、観測・通信システムとプラズマ発生・ 計測システム(特に、電子・通信、高真空技術や計測の分野)に関する研究開発 の推進に寄与することが期待される。
 さらに、本リサーチ・コアから宙空環境情報の国内外の各研究機関や民間レベ ルの報道機関への発信により、21世紀の宇宙活動において不可欠となる宇宙天 気予報・警報の実用化が促進され、宇宙利用の人間活動が安全に実施できるよう になることから、21世紀の宇宙利用に関わる国家基盤的研究開発や様々な新産 業の創出の促進に大いに寄与するものと期待される。

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5.コアの研究計画

 本リサーチ・コアでは、5年間の観測・実験研究を以下の計画と方法により実 施する。
(1)準リアルタイムのMAGDAS/CPMNによる宙空環境の観測研究
   宙空空間が生活圏になりつつある今日、太陽面爆発などに伴う地球周辺の 大規模な電磁場環境や高エネルギー粒子環境の変動(宇宙天気)の社会的影響 (第1図)が近未来に極めて深刻になることが予想されることから、準リアルタ イムの宇宙天気予報が必要不可欠になると予想される。そのためには、衛星通信 システムを用いた近代科学技術により地球全体を準リアルタイムで効率よく監視・ 研究できる環太平洋地磁気ネットワークシステム (MAGnetic Data Aquisition System/Circum pan Pacific Magnetometer Network(MAGDAS/CPMN, http://magdas.serc.kyushu-u.ac.jp/index.html, http://denji102.geo.kyushu-u.ac.jp/denji/obs/obs_e.html)) を構築し、長期的な地球電磁環境の時空間観測研究を行う必要がある。現有のシ ベリアの高緯度から日本付近の中・低緯度、そしてメラネシア、南アメリカの赤 道域、更に、南半球のオーストラリアまでの海外50観測点と国内地上5観測点か らなる環太平洋地磁気ネットワークシステムに、最新の衛星通信回線、電話回線 やインターネット通信回線を付加した新しいシステムを構築し、1秒の高精度の 電磁場変動データを世界規模で、直接、九州大学宙空環境研究センター内の地上 局に収集した観測研究を展開する。
(2)宇宙デブリ環境変化の数値モデルの構築
   地球近傍での宇宙デブリの増加は、人類の活動が環境に変化を与えている 典型的例であり、これを将来にわたってコントロールするために早急に環境変化 の要因を摘出し、予測手段ならびに有効な制御手段を見出す必要がある.このた めには数理的なデータ-処理と軌道力学の融合が必要となる.九州大学ではこの ような予測を解析する手法を静止軌道環境に対してゴミ分布地図(GEODEEM)モ デルを構築・開発し、NASAのGEO_EVOLVE 1.0モデル等にも組込まれ高い評価が得 られている。この解析手法を現実の環境変化を適切に反映して精密かつ長期予測 が可能なように更改する必要があり、そのためには観測された宇宙ゴミの分布地 図データ-を継続的に取得しつつ、計算機シミュレーションによる宇宙デブリ分 布地図の改良解析研究を継続的に行う。
(3)地上実験室における宇宙環境プラズマ現象の模擬実験(シミュレーショ ン)
   現有の大口径直線型装置(直径500mm)を、宇宙環境プラズマ現象を模擬 実験出来る直線型大容量プラズマ生成装置に改造する。プラズマはマイクロ波 (周波数2.45GHz及び900MHz、出力5kW)を用いて電子サイクロトロン共鳴効果に より生成する。プラズマパラメータとしては、ガス圧力0.1-10mTorrでプラズマ 密度1010-1013cm-3、電子温度0.1-10eV、イオン温度0.1-2eVである。先ず、境界 層における物理現象を明らかにするために、永久磁石を取り付けた円筒状の籠を 装置内に設置し、境界における電磁波動伝播特性や密度勾配に起因する不安定性 の励起及び制御を試みる。これらのことより、境界領域における分岐現象、さら にはカオス現象を明らかにする。
(4)膨大な宙空環境の時系列データの情報処理・数理解析研究
   グローバルネットワークで時空間観測した太陽地球物理現象と衛星観測に より計測されたプラズマ擾乱の膨大な時空間データを情報処理学的解析や数理学 的非線形時系列・カオス解析に基づいて処理し、宙空環境に発生する様々な擾乱・ 波動の輸送・伝播過程や非一様な複合系の構造とダイナミックス、宇宙デブリの 拡散の物理機構の解明を目指す。また、数値実験による宙空環境変動の予測実験 や、宇宙天気・宇宙気候の予測の数値実験解析を展開すると同時に、宇宙環境に 観られる非線形・非定常なプラズマ現象を非平衡力学系の観点からも捉えた、理 論および数値シミュレーション解析から宇宙天気予測に関わる基礎研究を推進す る。
(5)学際的な新しい研究分野の創造
  さらに、これまでほとんど研究されていなかった太陽地球系の非一様で異な る物質で充たされた宙空(地表から地球磁場が支配する領域)のなかで圏を跨い だエネルギーの輸送や物質変換の物理諸過程、突発的に発生するフレアー、オー ロラなどの崩壊(状態遷移)現象の発現機構など、”非線形の複合系物理学"の 確立と学際的・萌芽的研究分野の創造を目指す。さらに、宙空環境変動と生命体 への影響や生態系との関係など、宇宙電磁気学、地磁気生理学や宇宙生物学など の新しい医学・生物学分野の創造や波及効果を目指する。
(6)データベースの構築整備と情報発信
  当リサーチ・コアにより得られた世界的にユニークで膨大な時空間の観測・ 実験及び数値解析実験データや研究成果は、宇宙利用、環境科学、太陽地球系物 理学、プラズマ理工学、地球電磁気学などの多岐にわたる国内外の関連研究者に 一般公開されることが期待されている。これらの膨大な情報をデータベース化し、 リサーチ・コア研究者の個々の研究課題に従って解析研究をすすめる一方、国内 外の関連分野の研究者との国際共同研究の促進や民間の企業、報道機関への情報 提供・発信ができるように、インターネットによるデータ公開や様々な記録媒体 にコピーし配布できるためのデータベースの整理と体制の整備を行う。

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6.コア設置後の管理運営計画

 本リサーチ・コアの組織メンバーから成る運営委員会を開催し、次に掲げる事 項について審議し、本リサーチ・コアの管理運営を行う。

1. 共同研究プロジェクト、国際共同研究などに関わること。  

2. 共同研究に係る自己点検・評価(外部評価を含む)に関すること。  

3.その他リサーチ・コアの管理運営に関すること。

また、本リサーチ・コアに関する事務は、宙空環境研究センター事務におい て処理する。さらに、本リサーチ・コア設置後の自己点検・外部評価については、 コア内に自己点検・評価委員会を設置し、毎年、年度末に行う。コア設置5年度 に、外部評価委員会を設置し、本リサーチ・コアの外部評価を企画・実行する。 外部評価の結果に基づき、研究戦略委員会に本リサーチ・コアの再審もしくは、 改廃の申請を行う。

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