協力・連携講座

気候システム科学/先端海洋科学講座(大気海洋研)

 気候システム科学/先端海洋科学講座ウェブサイト

大気海洋研究所は,海洋研究所と気候システム研究センターが学内統合して,2010年 4月に発足しました.その主旨は,地球表層環境,気候変動,生命の進化に重要な役割を果たしてきた海洋と大気の基礎的研究を発展させることにあります.先端的なフィールド観測,精密実験による検証,生命圏変動解析,数値モデリングなどを通じて研究を展開させ,最終的に人類と生命圏の存続にとって重要な課題の解決につながることを目標としています.

具体的な研究内容は,以下をご覧ください.気候システム研究系気候モデリング研究部門気候システムモデリング研究分野(地球表層圏変動研究センターの関連教員含む)

気候システムモデルの開発、特に物理過程の改良に取り組みます.地球温暖化予測に重要な役割を果たす雲とエアロゾルの関係や,氷床変動の力学,古気候のダイナミクスなど気候モデルを用いて調べます。大気システムモデリング研究分野(地球表層圏変動研究センターの関連教員含む)

積雲対流のパラメタリゼーションや,高分解能の次世代大気大循環モデル(下図)を開発し,大気化学過程のモデリングの研究,また,オゾン破壊の今後の予測や東アジアの広域汚染などの環境問題の研究などを行います.

海洋システムモデリング研究分野

海洋大循環や物質循環の成因,およびそれらと気候の関わりについて,ミクロからマクロまで様々な海洋現象に対する物理・化学・生物過程の数値モデリングを通して研究を行います.また,過去の気候変動と海洋との関わりを調べるための古海洋モデリングを行います.気候変動現象研究部門気候変動研究分野

気候システムモデルによる長期シミュレーション(下図)のデータ及び観測された気候データを用いて,異常天候やエルニーニョ,十年規模変動などの気候システムの変動の仕組みや予測可能性について研究します.

気候データ総合解析研究分野

雲や雨の物理から、エルニーニョ,地球温暖化に伴う気候変動まで,マルチスケールで相互作用する気候の仕組みを、人工衛星によるリモートセンシングデータ,全球気象データ等の観測データや気候モデル、雲解像モデル等を用いて研究します.海洋地球システム研究系海洋物理学部門

海洋大循環や水塊の形成・維持,海洋・気候の長期変動機構と海洋物質循環・生態系への影響、大気及び海洋の擾乱の構造とメカニズムについて,係留系やCTDによる観測(下図)及びデータ解析,理論や数値実験・室内実験による研究を行っています.黒潮,親潮,中・深層循環,渦、潮汐、乱流,メソ擾乱,集中豪雨などを研究対象としています.

海洋化学部門(国際連携研究センターの関連教員含む)

地球環境における陸圏・大気圏・海洋圏をめぐる物質循環の機構と変化要因の解明する研究を行っています.化学成分,放射性核種・安定同位体などの分析をもとに,現在の変化しつつある地球環境や気候と海洋の相互関係を究明しています.また,隕石試料から惑星の表層環境の情報を引き出し,惑星の海の化学進化に迫る研究を目指します.海洋底科学部門(高解像度環境解析研究センターの関連教員含む)

ダイナミックに変動する海洋底を対象に,さまざまな角度から地球の構造と運動,物質循環や歴史を研究しています.音波や地震波,重磁力などの地球物理探査から,堆積物や岩石,生物を用いた地質・地球化学・古海洋学的手法まで幅広い調査研究が行われています.海底掘削や潜水船の調査にかかわる研究も多く行われています.調査している海域は日本近海の沈み込み帯からインド洋の中央海嶺,太平洋の巨大海台から極域まで世界中に広がっています.

所在地
〒 277-8564 千葉県柏市柏の葉 5-1-5

柏キャンパスへのアクセス

  • つくばエクスプレス「柏の葉キャンパス駅」西口よりバス約10分
  • JR 常磐線「柏駅」西口よりバス約 30 分
  • 東武野田線「江戸川台駅」より徒歩 30 分

柏キャンパスの地図

詳細はホームページ(http://www.aori.u-tokyo.ac.jp/)をご覧ください.

地球大気環境科学講座(先端科学技術研究センター)

 地球大気環境科学 気候変動科学分野ウェブサイト

本研究分野は大気海洋科学講座(基幹講座)の中村研究室が先端科学技術研究センター(先端研)に移り2011年4月に新設された研究組織で,2014年9月に小坂研究室が加わりました.気候系の形成やその自然変動,それに伴う異常気象やその予測可能性,さらには将来の温暖化に伴う気候変化に関わる力学的・物理学的研究課題に,データ解析・力学診断や大気大循環モデル・気候モデルシミュレーションを通じて取組んでいます.地球気候に関わるこれらの研究課題に興味を抱く大学院生を歓迎します.詳しくはウェブサイトをご覧下さい.

本研究分野では,以下に述べるように,地球の気候系で起こる様々な時空間規模の多様な現象のメカニズムや予測可能性,それらの相互作用の解明を目指す研究を,観測データの力学的診断やモデルシミュレーションにより推進しています.

《気候系形成の科学》

❶夏季の亜熱帯高気圧の形成力学を,亜熱帯域の海陸加熱差への大気応答とそれに伴う大気海洋相互作用という新しい観点から研究している.❷各大洋における中緯度海洋前線帯に伴う急激な水温変化が,移動性高低気圧の活動のみならず,下層雲や対流性雲の分布,海上風の収束・発散や熱帯低気圧(台風)の構造に及ぼす影響を包括的に探求している.

《気候変動・地球温暖化の科学》

❸中緯度大気海洋結合の観点から大気大循環とその卓越変動の力学の再検証を進めている.特に,中緯度の暖流や大陸縁辺海からの熱や水蒸気の供給が,移動性高低気圧活動を通じて,偏西風ジェット気流の形成や「環状モード変動(北極振動・南極振動の本質)」の振幅や構造(成層圏・対流圏結合変動を含む)に如何なる影響を与えるかをモデルシミュレーションなどから探求している.❹北太平洋十年規模気候変動の定説を覆し,熱帯からの直接の影響は亜熱帯海洋循環系に留まる一方,北西太平洋の亜寒帯前線帯(黒潮・親潮合流域)に集中した海水温変動がアリューシャン低気圧の変動と結合した中高緯度独自の変動を含むことを示し,このメカニズムの解明に取組んでいる.❺近年の地球温暖化の停滞(ハイエイタス)が熱帯太平洋における十年規模の自然気候変動と人為起源の気候変化との相殺によって起こっていることを示し,このような自然変動と地球温暖化の競合によって全球および地域的・季節的に引き起こされる気候変動を気候モデルシミュレーションなどにより研究している.❻地球温暖化が東アジアの夏冬の気候にもたらす変化とそのメカニズムの解明に取り組んでいる.温暖化に伴って春一番が早く吹くようになる可能性を指摘した.また温暖化に伴う北極域・オホーツク海の海氷減少によるユーラシア・極東域への遠隔影響に着目し,気候モデルシミュレーションを用いて研究している.

《異常気象のメカニズム》

❼大気ロスビー波束の3次元群速度伝播を表わす診断法を開発し,気象庁の定例気候診断や異常気象分析検討会など国内外で広く活用されている.これにより,❽成層圏の波動擾乱が対流圏循環異常の発達に与える影響や,日本に寒波をもたらす対流圏循環偏差「西太平洋パターン」が北極成層圏にもたらす寒冷化などの現象を見出した.また,❾停滞性ロスビー波束の伝播阻害と局所砕波というブロッキング高気圧形成の新理論を提示し,この型のブロッキングが ❿日本に冷夏をもたらすオホーツク海高気圧や冬の寒波をもたらすシベリア高気圧などの地表寒冷高気圧を増幅させることを示した.⓫夏の小笠原高気圧と南海上の台風活動との結合変動「太平洋-日本(PJ)パターン」のメカニズムを,夏季気候系に卓越する「湿潤力学モード」の観点から探求し,数ヶ月前からの季節予測可能性や地球温暖化に伴う長期変調を調査しており,また⓬小笠原高気圧を変動させるもう1つの循環変動「シルクロードパターン」の力学も,アジアジェット気流に卓越する波状の「力学モード」の観点から探求している.以上の観点からシミュレーション結果を解析し,地球温暖化や氷期・間氷期サイクルに伴う大気・海洋循環の変化についても研究している.

アクセス

  1. 地下鉄千代田線・小田急線 「代々木上原」駅から徒歩12分
  2. 小田急線 「東北沢駅」から徒歩7分
  3. 井の頭線 「駒場東大前」・「池ノ上」駅からともに徒歩10分

※授業が行われる本郷キャンパスから約50分です.根津から代々木上原まで地下鉄千代田線をご利用下さい.この他,本郷三丁目・新宿西口間地下鉄大江戸線,新宿・東北沢間小田急線の利用も可能です.
地球大気環境科学講座/気候変動科学分野は先端科学技術研究センター3号館4階です.

観測固体地球科学講座(地震研)

 観測固体地球科学講座ウェブサイト

「地震研究所」では,地震の発生や火山の噴火など,地球で起こる様々な現象を理解するための最先端の研究を行っています.地球の中を良く知るために,地震波・電磁波・素粒子などを用いた地球内部の探査や,計算機シミュレーションによる地球内部の状態の再現と予測,岩石の高温高圧物性を調べるための室内実験などが精力的に行われています.地球内部についてはまだ良く分かっていないことが多いため,新しい観測データや実験データが大きなブレークスルーをもたらします.地震研究所では,新しい観測機器や実験装置開発に力を入れ,自分たちのデータから新しい地球観を生み出すことを目指しています.

地球の中を診る,調べる

地球内部を「診る」ことは,地震・火山活動やより深部での活動を研究する上での基礎となります.地球の中を直接覗くことはできないため,地震波や電磁波などを用いて調べます.近年,地震や電磁気の観測網が高密度に整備され,地球の内部をこれまでにない高解像度で診ることができるようになり,地球内部への理解が急速に進んでいます.観測点のない海域へ設置する海底地震計の開発や,インバージョン法の研究,地震波速度や電気伝導度で見える地球内部の不均質構造から有用な情報を引き出すための岩石物性の研究などが行われています.

東北日本下および北西太平洋下における海洋プレートのイメージング.プレートの底に当たると解釈できる構造がみとめられる.

写真:北西太平洋深海底に設置された孔内観測点.

地球内部ダイナミクス

地震発生や火山噴火などの個々の現象は,もっと大きな地球のダイナミクスの一部として捉えることができます.地球全体の活動の解明を目指して,マントル対流のシミュレーションや,高温高圧実験,放射性元素や微量元素を用いた地球内部の物質循環の研究,などが行われています.岩石の物性には未知の部分が多く,鉱物粒界のようなナノスケールの物理化学特性の解明が,マクロスケールの現象の理解を大きく変えてしまう可能性があります.

マントル対流のシミュレーション.温度の高い上昇域が黄色で,温度の低い下降域が青色で示されている.

マントル物質の超塑性発現.

試料の微細構造(a 未変形試料b,c 変形試料.赤い粒子同士が引っ張り方向に直交する方向に衝突合体する.d 粒子レベルでの変形モデル)

地震発生のメカニズム

GPSや海底歪み計を用いた地殻変動観測によりひずみの蓄積過程を調べ,地震発生予測につなげることを目指しています.また,発生した地震の震源過程は,地震波,津波,地殻変動,余震分布,重力変動など,地震に伴う様々な現象を観測して多面的に解析されます.そして,断層破壊の室内実験・粒子モデルシミュレーションの結果や地震波の発生と伝播のシミュレーションなどと合わせて,地震発生のメカニズムを明らかにすることを目指しています.強震動予測や地震工学など,災害軽減を目指した研究も行なわれています.

東北地方太平洋沖地震の強震動・測地・津波の各観測に基づいた統合震源モデル。矢印は断層の各部分のすべりのベクトルをあらわす.

火山噴火のメカニズム

地球内部におけるマグマの発生と上昇は,地球の進化をもたらす重要なプロセスです.また火山噴火は,マグマの発泡や破砕などを伴い,固体,液体,気体がすべて関与するダイナミックな現象です.火山学は,地球物理学と岩石・地質学の両方の側面を持った複合的分野で,地震研究所では,噴火現象の観測やモデリング,マグマの移動や火山性地震の観測,噴出物の分析など,様々な側面から火山現象の解明を進めています.

衛星画像,海底地震計,空振計,海洋調査船等を用いた西之島火山の観測

宇宙線ミューオンラジオグラフィーにより得られた昭和新山内部の密度断面図.

新しい観測のための機器開発

地球科学では,新しい観測が様々なブレークスルーをもたらしてきました.地震研究所では,海底地震計,レーザー干渉ひずみ計,宇宙線ミューオンを用いた火山体内部のイメージング,低周波微小振幅変形実験装置など,独自の技術を開発して新しい観測を行なっています.

マグマなど地下流体の動きによる重力変化を精密計測するために開発中の小型絶対重力計.

地震研究所への進学

地震研究所の特徴は,地球物理学,岩石学,地質学,物理学,工学など,様々なバックグラウンドを持った研究者が共同して地球の解明を目指している点にあります.また,観測,実験,理論モデリングなど,様々な手法の研究が行われています.異なる視点に立った多様なアプローチに日常的に触れることは,境界領域にある研究課題の開拓や,学問的視野を広げることにつながります.また,観測や実験から得られる1次データに触れ,地球や物質を実感として理解することは,地球科学の研究を行う上で貴重な経験になります.毎年開催される一般公開などを通じて,多くの研究仲間ができると思います.地震研究所は,本郷キャンパスの北端にあります.是非一度来てみてください.

地震研究所の一般公開で実験の説明をする大学院生.

所在地

〒 113-0032 東京都文京区弥生 1-1-1
http://www.eri.u-tokyo.ac.jp/
地下鉄南北線「東大前」下車徒歩 5 分,または千代田線「根津」下車徒歩 10 分.

学際理学講座(JAXA・宇宙研究所)

 JAXA宇宙研 宇宙惑星研究グループウェブサイト

宇宙航空研究開発機構・宇宙科学研究所(JAXA・ISAS)では,地球惑星科学,太陽圏物理学,天文学などの宇宙科学の各分野において,1)大気球・観測ロケット・科学衛星などによる観測事業,2)飛翔体搭載用観測機器の研究開発,3)データ解析・理論・数値シミュレーション・モデリングなどの研究を行っています.特に地球惑星科学関連の研究対象としては,惑星中層・上層大気・電離層,惑星磁気圏・太陽系空間,月・惑星・小惑星探査,太陽観測と広範囲に及んでいます.研究所設立以来,多数の人工衛星とロケットによって様々な観測を実施,その結果の解析結果が新たな知見と疑問をもたらし,それが次世代の計画を生み出すというサイクルで,宇宙科学の進展に貢献してきました.理学・工学の研究者が協力し,全国の研究者や大学院生と共同することで研究が推進されてきました.

これまでの科学衛星

最近の地球惑星科学関係の科学衛星としては以下のものが数々の科学的成果をあげています.その成果創出においては,大学院生が活躍していることは言うまでもありません.

  • 1980 年 「さきがけ・すいせい」 ハレー彗星探査
  • 1989 年 「あけぼの」 オーロラ物理の総合観測
  • 1992 年 「GEOTAIL」地球周辺宇宙空間(磁気圏)の構造とダイナミックな振る舞いの総合観測
  • 1998 年 「のぞみ」   火星上層大気の観測(火星周回軌道投入に惜しくも失敗)
  • 2003 年 「はやぶさ」 小惑星からのサンプルリターン
  • 2007 年 「かぐや」   月周回衛星
  • 2010 年 「あかつき」  金星大気の観測 2010年12月に金星周回軌道投入に失敗,現在は投入再挑戦の準備中)

「あけぼの」「GEOTAIL」の両衛星は 20 年にもわたって電離ガスで満たされた地球周辺宇宙空間を継続観測しています.これらの観測期間は,太陽活動の11 年周期を超えるものであり,地球周囲の宇宙空間が太陽の影響下でどのように変動するのかを理解する上で,世界的に貴重な観測データセットを提供しています.特にGEOTAILは,世界が共同して整備した宇宙空間観測衛星網の一員としてもデータを提供しており,オーロラ爆発に象徴されるような,ダイナミックに振舞う宇宙空間ガス(プラズマ)の物理探求にも貢献しています.

「はやぶさ」は 2005 年に小惑星イトカワへ到着し,貴重な画像データを取得しました.また,イトカワ表面にもタッチダウンを行い,その際に取得したサンプルを,2010年6月,地球へと持ち帰りました.そのサンプルは地上の装置による詳細な分析を受けており,そこから太陽系の起源に関する新しい知見がもたらされることが期待されます.

「かぐや」は近年の月探査ブームの先陣を切った月周回衛星です(2009 年にミッション終了).月表面の詳細なイメージ・データを鉱物学的な視点から解析することにより,月形成に関する新しい知見をもたらしました.また,「かぐや」には月周辺宇宙環境を計測する装置も搭載されており,宇宙ガスと月表面が(磁場や大気のクッションが入ることなく,直接に)接触するという状況でのプラズマ物理に関しての全く新しい知見をもたらしています.

「あかつき」は,金星大気の循環メカニズムを理解することを目指す本格的な惑星気象学ミッションです.金星大気の超回転(スーパー・ローテーション:惑星そのものの自転が遅い金星で,上層大気だけが速く回転する現象)がどのように起こっているのか,が最大の問題です.

今後予定される科学衛星

地球惑星科学関係では,以下のような魅力的なミッションが予定されたり,検討されたりしています.その実行や成果創出において,大学院生の活躍が必須であることは言うまでもありません.

打ち上げ年が決まっているもの:
2014 年 「ベピ・コロンボ MMO」 水星磁気圏・内部太陽圏の探査

太陽系内縁にある水星の探査は困難ですが,それに日欧共同でチャレンジするのが「ベピ・コロンボ」です.日本は,プラズマ観測がメインである MMO(Mercury Magnetosphere Orbiter,水星磁気圏探査機)を担当し,欧州が担当する MPO (Mercury Planetary Orbiter,水星惑星探査機 ) とともに水星という謎に満ちた世界を解明します.2011年3月に水星周回軌道に入ったNASA・MESSENGER計画との緊密な協力関係からも大きな成果が期待できます(ベピ・コロンボの水星到着は2020 年).

検討中のミッション:
2010 年代 月着陸探査計画・小惑星サンプルリターン・衛星編隊による地球磁気圏ダイナミクスの観測
2020 年代 火星探査・世界共同木星系探査計画への参加

小型衛星

本格的なミッションは時間がかかってしまい,大学院生のライフ・サイクルとは必ずしも合致しません.その一方で,現場を経験することはたいへん重要なことです.そこで,小型衛星というカテゴリーも ISAS では推奨されています.準備時間が短くて済む小型衛星でタイムリーな問題解決を促そうということです.最初の試みとして,オーロラ画像とそれを光らせているオーロラ粒子加速を同時観測する「れいめい INDEX」が2005 年に打ち上げられ,オーロラ科学にユニークな貢献をしています.今後展開される小型衛星シリーズの 1号機,2 号機には,それぞれ,「紫外線による惑星撮像」のための軌道望遠鏡,「地球周辺宇宙空間における相対論的粒子加速」を解明するプラズマ観測衛星が選定されており,地球惑星科学においても小型衛星が活躍する素地ができつつあります.

JAXA宇宙研へのアクセス

〒 252-5210 相模原市中央区由野台 3-1-1
http://sprg.isas.jaxa.jp/

1)新宿駅より京王線で橋本駅へ.橋本駅より横浜線で淵野辺駅へ.淵野辺駅より宇宙科学研究本部まで徒歩 18 分.
2)小田急線で町田駅へ.町田駅より横浜線で淵野辺駅へ.淵野辺駅より宇宙科学研究本部まで徒歩 18 分.
3)小田急相模大野駅より相模原駅行きバス.宇宙科学研究本部入口下車.宇宙科学研究本部まで徒歩 5 分

学際理学講座(KEK・物質構造科学研究所)

 物質構造科学研究所ウェブサイト

高エネルギー加速器研究機構(KEK)・物質構造科学研究所では、加速器によって発生させる量子ビーム(放射光、中性子、ミュオン、低速陽電子)を用いて、物質や生命の構造と機能に関する研究を進めています。現在、東京大学大学院理学系研究科には、地球惑星科学専攻・量子ビーム地球惑星科学分野の船守研究室と化学専攻・放射光化学分野の雨宮研究室がある他、新領域創成研究科に構造生物学分野の千田研究室があり、東京大学の大学院生を受け入れて、研究・教育を行っています。

KEKは、量子ビームの発生・輸送から加工・利用(実験)までの全過程の専門家を有する大学共同利用機関法人です。大学共同利用機関法人では、各大学が単独で維持・運営することの困難な大型の装置・設備を大学等の研究者に供与しています。Photon FactoryやJ-PARC/MLFなどが、これに該当します。現在、地球惑星科学専攻の幾つかの研究グループがKEKの施設を利用していますが、地球惑星科学の研究室が物質構造科学研究所に誕生したことで、今後、更に利用が増加していくものと期待されます。

KEKの研究室に所属することのメリットは?

まず、第一に挙げるべきは、量子ビームの発生にまで遡って、最上流から研究を組み立てることが可能なことでしょう。既成の装置・技術を上手く利用して行うサイエンスも重要ですが、独自の装置・技術を開発して行うサイエンスが極めて重要であることは説明を必要としないと思います。専門家集団の手厚いサポートにより、これが高い次元で可能になります。第二には、全国の研究者との交流が挙げられるでしょう。長期滞在する様々な分野の研究者との交流(相互作用)は、新しい発想の根源となり、また、研究者としての人脈の形成につながります。特に、KEKでは、地球惑星科学分野に留まらない交流が可能なところに特徴があります。

どんな研究室?

当学際理学講座は、基幹講座(本郷の固体地球科学講座)にあった船守研究室の移転に伴い、東京大学とKEKの協定書を改訂することで、2016年4月に設置された新しい講座です。施設を利用する立場であった当時よりも、量子ビーム利用の面ではより深く、研究対象の面ではより広く(地球惑星内部に限定せず)、地球惑星科学に取り組みたいと考えています。物質を扱う実験系を志望する皆さん、遠慮せずに連絡をください。施設見学も歓迎します。