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アイスレーダ

南極大陸氷床の情報をとらえる

--雪上車搭載アイスレーダ観測--

はじめに

 郵政省通信総合研究所は、国立極地研究所と共同 で、第33次日本南極地域観測隊(1991年11月から19 93年3月)において雪上車搭載アイスレーダを使用し 南極大陸氷床の厚さやその内部構造の観測を行いま した。データを解析した結果、氷床の低温度下にお けるレーダエコー強度の増加を確認し、複雑な内部 構造を示す広範囲な氷床鉛直断面図が得られ、それ らに加えて、電波の偏波面を変えることにより氷床 流動観測が可能となりうる結果を得ました。

地球環境と氷床観測

 近年、私たちの地球は、オゾンホールの発生やエ ルニーニョ現象、炭酸ガス濃度の上昇による地球温 暖化による環境変化が話題になってきています。そ れらの環境変化は今までの地球の状態と違うのでし ょうか?それとも、自然な状態なのでしょうか?単 に科学的興味だけでなく、人類生存の大きな問題と 言えます。この問題を解く鍵の一つとなるものとし て南北極の氷床があると考えられてます。そこには、 過去の気象変動や氷河期の状況を示す情報が刻まれ ています。氷床に封じ込まれている酸素同位体から は、地球の温暖期が推測され、酸性層からは、その 年代の大火山爆発を見つけることができます。これ は、氷床の起源が南極に降り積もった雪であるため で、氷床深層ボーリングを行ない、取得されたサン プルを物理的・化学的に解析することによって過去 数千年から数十万年におよぶ環境変動を知ることが できるのです。ボーリングを多数の場所で行なうの が望ましいのですが、その労力は、膨大なものにな ってしまいます。それに対し、アイスレーダは、広 範囲に氷床を観測することができます。アイスレー ダは、当初、基盤までの氷の厚さを測定する目的で 使用されていましたが、しばしば、氷床内部から層 状にエコーが観測されることが知られていました。 アイスレーダで観測される内部層は、氷の物理的な 組成、酸性層、氷床表面と水平な方向の結晶構造等 の組成の違う境界面が電波を散乱し得られるもので はないかと考えられています。一方、氷床が丘状に 盛り上がったドーム地域頂点では、水平方向の氷の 流れが無く、過去の情報を直接解釈できるため、国 際的にドーム域でのアイスコアの掘削が計画されて います。我国でも昭和基地から約1000 km南の内陸に ある「ドームF」(図2参照)において現在、掘削 計画が進行中です。我々は、この計画に先がけて、 その場所の厚い氷床を計測するアイスレーダを開発 し、観測を実施することにより、広範囲な基盤地形 及び内部層構造を明らかにしました。さらに、氷床 上のいくつかの点で、偏波面の方位を変えた観測を 実施し、氷床内部層構造の異方性と表面流動とに良 い相関があることを明らかにしました。

氷床から過去の情報をとらえる

 過去十数万年の気候・環境を推定し、将来の地球 環境の予測に役立てるため、氷の推積層が流動で乱 されない氷床ドームFで2000 m級の深層掘削を行な うことを目的として、南極氷床ドーム深層掘削計画 は、1992年から5カ年の予定で開始されました。第 33次日本南極地域観測隊は、その初年度として、ア イスコア掘削地点の選点の資料を得るためこのアイ スレーダ観測を実施しました。アイスレーダは、国 立極地研究所と当所が共同でドームFの深さ3000 m 程度の基盤が計測できるよう開発を行いました。そ の目的を達成するため第33次南極地域観測隊のドー ム旅行隊は、1992年9月から12月にかけてド ーム基地候補地の基礎データ取得とルートを確保す る行動を実施しました。

 ドームFは、昭和基地近くの大陸沿岸から約10 00kmの遠隔地にあります。そこまでの道のりを1 0トンもの大型雪上車を使って輸送を行う必要があ ります。自走用の燃料は元より、越冬観測用の軽油 や灯油等のドラム缶、建設用の物資、食糧、観測機 材など様々な物資を輸送します。雪上車は、1台当た り約1.5トンの大型そり7台を牽引しました。10 00kmの道のりには平坦なところばかりでなく、内 陸部には、サスツルギという1mぐらいの雪の吹きだ まりが多くあり、時々、そのサスツルギをうまく乗 り越えられず「かめのこ」状態(ぬかるみに入った ような状態)になり脱出するのに、半日かかってし まうこともしばしばありました。また、我々は、ド ーム計画の初年度であるため、ドームFまでナビゲ ーション用GPS等を駆使してルート工作(道標の旗や ドラム缶を立てる)を行いながら進みましたが、そ れでも出発して間もない頃は、幾度かブリザード (地吹雪)に会い進路を見失ったりすることもあり ました。そのような天候の中、車両故障が重なり作 業中、顔に凍傷を作ってしまうこともありました。 そしてドームFに近づいたころ、アイスレーダアンテ ナを雪上車に取り付け観測準備を行いました。

 このアイスレーダは、深い基盤からのエコーに十 分な感度を確保するために、大型のアンテナが必要 で、尚かつ、昭和基地からドームFは遠隔地となっ ているため雪上車に搭載する方式となっています。 表紙の写真のように雪上車搭載アイスレーダは、観 測機等を雪上車内に、アンテナを雪上車屋根に取り 付け、179MHzのパルス状の電波を鉛直に雪面に向か って発射し、その電波が基盤や氷床内部から戻って くるまでの時間を図ることでその深さを観測しまし た。

 南極大陸内陸部に進むにつれて標高が高くなると、 表面の気温は、徐々に低下して行きます。11月ころ の沿岸部は、ー15度程度ですが、内陸部になります とー40度ぐらいの世界になります。当初の設計では、 このアイスレーダで3000 mまでの氷の厚さが計測可 能であると見積もっていましたが、実際は、ドーム 地域では、3500 mまで測定できました。このことは、 一般に氷の温度が低いほど減衰係数が小さいとされ ていることから、ドーム地域の標高が高く大陸沿岸 に比べて氷温が低かったため、より深い測定ができ たと考えています。気温が低いことで観測準備は大 変でしたが、観測の能力は、結果的に強い受信感度 が得られ、より情報量の多いデータを取得できまし た。

 図1は、ドームF付近の鉛直断面を示しており、氷 床内部層と基盤地形が明らかになっています。ドー ムF付近は、基盤地形が盆地上になっておりその中心 付近に位置し、水平方向の流動が少なく雪が垂直に 堆積したため内部は水平な層状構造となっていると 読み取れます。これは、このドームFがボーリングに 適した地域であることを示しています。ドーム地域 でボーリング地点を決定するための基盤地形調査を 終了した後、帰路、ドームFから昭和基地近くまでの 約1000 kmにおよぶ広範な氷河にそった氷床観測を行 ったことは世界初であり、氷床の力学を研究する有 用な材料として注目されています。

アイスレーダで氷床の流動を観測

 雪上車にアンテナや観測機材をすべて積み込んだ ことにより、ドームFから昭和基地近くまでのいくつ かの観測点において雪上車ごと回転させて偏波面の 方位を変えた氷床内部層の観測を行なうことができ ました。以前、みずほ基地でこの観測を行うことに よって内部層エコーの異方性が確認されていました が、以前はアンテナを雪上車に取りつけられなかっ たので、1カ所での観測に留まっていました。本観 測は、機動性の高い雪上車の利点を生かし多点で観 測することにより、その異方性に地域性がないか調 べるために行いました。これまでは、レーダエコー の異方性と、氷床表面流動との相関を研究した例は なかったのですが、今回の観測では氷床観測の新手 法としてこのアイスレーダの特徴を生かす事ができ ました。

 当初、解析を進めるにあたってこの偏波面の観測 を変えた観測に強い異方性があることは生データを 見たとき気ずきましたが、その内部エコーの反射強 度全体を使って方向依存性や量が検出できるかどう か研究していたところ、地域によって減衰係数に強 い双極性を見つけることができました。更に、方向 によりその量に違いがあることも判りました。それ らの事実をもとに次の図を作成しました。

 図2は、 各観測点における、GPSによる測量観測から得られた 表面流動ベクトルと減衰係数から求めたベクトルを 示しています。観測点は、南北約1000 kmの距離を約 120 km毎に置きました。氷床内部エコー全体から減 衰係数を求めてその最大の方向を矢印であらわしま した。表面流動量とここで求めた減衰係数の最大方 向がほぼ一致していることが読み取れます。ややベ クトルの向がずれているのは、減衰係数を内部反射 エコー全体から求めたため氷床全体が流動の力を受 けているものとすると、表面の流動方向とに若干の ずれが生ずるのであろうと考えます。ベクトルの長 さは、減衰係数差を最大の減衰係数2方位の平均と その互いに90度方向2方位の平均との差と定義しま した。そこで、減衰係数差と表面流動との関係を調 べますと、非常に良い相関を示していることがわか りました。この関係を直線で近似すると、減衰係数 差0.001 dB/mあたり1 m/yearの流動であると読み取 ることができました。

 これらの結果から、アイスレーダを用いた氷床の 偏波面の方位を変えた観測をすることで、表面流動 を測定できる可能性を示しています。ここで少し氷 と電波の関係についてふれてみます。氷の電気的性 質、特に誘電率は、この氷の結晶軸の向による異方 性を持っていると言われており、したがって、電波 の減衰特性が、氷床流動の影響を受けることは、十 分考えられます。ただし、高周波での氷の誘電特性、 特に損失に関しては、実験室における計測が非常に 困難であり、最近になって初めて、信頼性の高いデ ータが出始めたところです。したがって、このこと は、今後さらに検討すべき課題です。

おわりに

 本研究により、アイスレーダ観測は、極域の氷床 の氷厚、氷床内部層に対して極めて有用であること が明らかになりました。南極大陸内陸部から沿岸部 までの観測をし、氷床の層構造を示すことにより、 氷床力学の研究に貴重なデータを提供することがで きました。さらに、偏波面の方位を変えた観測を行 なうことにより、氷床流動の推定がアイスレーダを 用いてできることが明らかになってきました。今後、 ドームでの掘削計画で取得されるアイスコアと比較 することによって、エコーの反射原因を特定するこ とが期待されます。さらに、アイスコアとの比較や 広域マッピング、さらに偏波特性を連続して観測で きるアイスレーダを開発することにより、今後さら に氷河学の研究に寄与していきたいと思ってます。