大気ライダー

大気ライダーは、レーザー光を使用して、地上から大気圏上層までの大気の特性を調べる機器の一種です。このような機器は、大気中のガス、エアロゾル、雲、温度などを研究するために使用されています。

光を使って大気を研究するための基本概念は、第二次世界大戦前に開発されました。^[1] 1930年、EH シングは、サーチライトビームを使用して上層大気の密度を研究することを提案しました。 ^[2]その後数年間、サーチライトビームは、走査光とパルス光の両方を使用して雲の高度を研究するために使用されました。[ ^3]異なる波長の散乱光を使用して雲の特性を研究する高度な技術も提案されました。^[4]最初の実験では、純粋な分子大気と互換性のない光散乱パターンが対流圏で観測されました。この非互換性は、浮遊するヘイズ粒子に起因していました。^[5] 同様の技術はソ連でも開発されました。 ^{[6] [7]}サーチライトビーム技術は、戦争の終結後も改良を続け、より正確な機器や温度などの新しい大気パラメータが導入されました^。[8]同時に、パルス光を使用して物体の距離を測定する距離計が構築されましたが、実験的な設計にとどまりました。^[9]

1960年、T. メイマンはヒューズ研究所で最初の機能的なレーザーを実証しました。この実証は、ライダー開発にとって極めて重要な瞬間でした。その後すぐに、ヒューズ航空機会社の技術者は、ルビーレーザー光を使用したレーザー距離計を開発しました。^{[9] [10]} この新しい装置は、コリダー（coherent light detection and range）と名付けられ、広く宣伝されました 。^{[11 ] [12]} 1962年、L. スムリンとG. フィオッコは、ルビーレーザーを使用して月からのエコーを検出しました。^[13]実験中、彼らは上層大気で散乱した光を観測し、これを塵粒子によるものとしました。^[14]すぐに、いくつかの研究グループが大気を観測する同様の装置を構築しました。 1969年までに、米国の気象学者は、エアロゾル測定、可視域以下の巻雲や夜光雲の観測、視程測定など、さまざまな用途に20台以上のレーザーを少なくとも半定期的に使用していた^[15]。

図 1 に、ライダーのセットアップの簡略図を示します。送信ユニットは、レーザー光源、一連のミラー、および平行光線を垂直に大気圏に送るビーム エクスパンダーで構成されています。送信された放射線の一部は、大気の成分 (ガス、分子、エアロゾル、雲など) によって散乱され、ライダーに逆戻りし、望遠鏡によって収集されます。後方散乱光は光学分析装置に送られ、ここで光信号が最初にスペクトル分離され、増幅されて電気信号に変換されます。最後に、信号はデジタル化され、コンピュータ ユニットに保存されます。

ライダーは、雲の種類 (積雲と巻雲など) の分類に有効であることが証明されています。雲の境界は、可視および/または近赤外帯域で動作する地上ベースのライダーから取得できます。雲底の高さは、レーザー パルスの空への透過率と望遠鏡による後方散乱光の検出との間の時間差によって識別できます。レーザー ビームは、雲を貫通すると常に減衰します。ただし、強力なレーザー (パルスあたりのエネルギーが高い Nd:YAG レーザーなど) を使用すると、雲頂も取得できます。取得できる別の物理パラメータは、雲の位相です。直線偏光レーザー ビームを使用すると、直線粒子の偏光解消率 (δ) は、送信機の偏光軸に対する測定された垂直後方散乱強度と平行後方散乱強度の比として定義できます。

${\displaystyle \delta ={\frac {I_{\perp }}{I_{\parallel }}}}$

このパラメータがゼロ（後方散乱信号が直線偏光）のとき、雲には球状の液滴が含まれています。しかし、雲に氷結晶が含まれている場合、後方散乱光は交差偏光成分とともに受信ユニットに到達し、δはより高い値（0 < δ < 1）を持ちます。液滴は対称的な散乱要素として振る舞う傾向がありますが、氷結晶は非対称です。^[16]

偏光比の使用には、通常、体積内の粒子がランダムに配向しているという暗黙の仮定が含まれます。配向粒子の偏光特性は、偏光解消比では適切に表現できません。氷の結晶は、抗力がブラウン運動のランダム化効果を克服するほどの大きさになると、水平に配向することが知られています。雨も一般的に配向しており、抗力によって落下方向に沿って水滴が平らになります。このような場合、測定された偏光解消比は、ライダーシステムで使用される特定の偏光状態に依存する可能性があります。一部の偏光ライダーシステムは、後方散乱位相マトリックス全体を測定できるため、配向粒子が存在する場合の偏光解消比の曖昧さを回避できます。^{[17] [18]}

気候変動に関する最大の不確実性の 1 つは、エアロゾルの直接的および間接的影響の重要性です。この不確実性は、気候変動に関する政府間パネル (IPCC) の第 4 次評価報告書で強調されました。エアロゾルの光学特性は、その発生源やエアロゾルが受ける気象プロセスなど、多種多様であるため、垂直方向に分解した測定が必要ですが、これは通常のライダー観測でのみ実行できます。欧州エアロゾル研究ライダー ネットワーク (EARLINET) ^[19]などのエアロゾル ライダー ネットワークは、エアロゾルの特性、輸送および変化の現象を地域から大陸規模で首尾一貫した方法で調査するために設立されました。2015 年現在、EARLINET は 44,000 を超えるプロファイルをホストする 27 のライダー ステーションで構成されています。弾性後方散乱ライダー (EBL) は、1960 年代から雲やエアロゾル層の調査に広く使用されてきました。^[20] EBLは、後方散乱信号（粒子と分子の寄与）全体を検出する。分子信号と、条件付きで「一定」（大まかに言えば）エアロゾルの消光対後方散乱比（ライダー比と呼ばれる）という仮定を使用して、消光係数のプロファイルを推定する必要がある。ライダー方程式として知られる主要な方程式は以下のとおりである。

ここで、P(r)は距離rでライダー望遠鏡が受信した後方散乱放射の強度、Eは送信レーザーパルスエネルギー、Lは光学特性と検出特性をまとめたライダー定数、O(r)は重なり関数、^[21]および はそれぞれエアロゾル/分子後方散乱係数と消衰係数である。分子後方散乱と消衰は気象データから導き出せるため、ライダー方程式の未知数はと のみである。しかし、エアロゾルの強度特性としてのライダー比は、粒子のサイズ、形態、化学組成に大きく依存し、高度によって大きく変化するため、消衰プロファイルの信頼性が損なわれることが多い。 EBLリターンから後方散乱係数と消衰係数のプロファイルを計算するプロセスは、Klett法^[22]として広く知られており、1954年にHitschfeldとBordanによって最初に形式化されました。^[23] 消衰プロファイルの推定に関する前述の欠陥は、ラマン（非弾性）後方散乱ライダーと高スペクトル分解能ライダー（HSRL）によって克服されています。ラマンライダーは、窒素分子や酸素分子による非弾性後方散乱を追加で測定することによって機能します。^[24] HSRLは処理アプローチを使用しますが、スペクトル的に狭いエアロゾルリターンをブロックし、スペクトル的に広い分子リターンを通過させることにより、送信波長での分子のみの後方散乱の追加測定値を取得します。^{[25] [26]}これらの技術は消衰係数の直接計算を提供し、関連する追加項（分子消衰係数など）は気象（ラジオサウンディングなど）と標準大気データによって処理されるため、ライダー比の仮定の必要性を排除します。ライダー方程式を数学的に操作すると、減衰に関連する方程式は次のようになる。^[21]${\displaystyle \beta _{\mathrm {aer/mol} }(r)}$${\displaystyle \alpha _{\mathrm {aer/mol} }(r)}$${\displaystyle \beta _{\mathrm {aer} }(r)}$${\displaystyle \alpha _{\mathrm {aer} }(r)}$

ここで、下付き文字「inc」と「sca」はそれぞれ入射レーザー光とシフトされた後方散乱光を指します（HSRLではこれらの用語は同じであるため、式はさらに簡略化されますが、ラマンライダーの場合は区別が必要です）。Nは窒素/酸素分子の数密度、はオングストローム指数です。この方法の欠点は、結果として得られる消衰係数の式（2）に導関数が存在することです。これにより、数値的に不安定になる可能性があり、活発な研究分野が導入されています。 ${\displaystyle \mathrm {\AA} }$

粒子の微物理的特性の抽出は、エアロゾルの空間的および時間的変動を調査することにより、エアロゾルが気候に与える影響をより深く理解する必要性から生じています。重要なパラメータは、粒子のサイズに対する粒子数の分布です。エアロゾルの特性に関係するその他の微物理的パラメータには、平均（有効）半径、総体積および表面積濃度、複素屈折率、および単一散乱アルベド（気候強制力）があります。エアロゾルの特性（順方向問題）を把握し、ライダー信号を予測することは簡単な計算ですが、逆プロセスは数学的に不適切（つまり、一意でない不完全な解空間）であり、入力の不確実性に非常に敏感です。光学パラメータは、多波長弾性ラマンライダーシステムを使用した測定から取得できます。パラメータは、逆変換アルゴリズムへの入力として使用されます。多波長（ ）ライダーによって測定された消光（）係数と後方散乱（ ）係数は、第1種フレドホルム積分方程式を介して数サイズ分布と関連しています。 ${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle \lambda}$

ここで、r は粒子の半径、m は複素屈折率、? は粒子のサイズ、形状、組成を要約するカーネル関数です。屈折率への非線形依存性は、通常、実行可能なオプションのグリッドを想定することで対処されます。ソリューション空間が構築され、物理的および/または数学的制約によってさらに制限され、粒子サイズの境界も事前に決定されます。モデル式 ( 1 ) はさらに、波長に依存しない屈折率を想定しています。波長は、現在のテクノロジとライダー システムの可用性に応じて、いくつかの離散値に制限されます。最小の光学データ設定は、nm、の 5 つの値で構成されます。式 ( 1 ) は解析的に解くことができないため、離散化する必要があります。逆不適切問題の理論は、ライダー データ内の潜在的なノイズ成分が、エラー レベルの大きさに関係なく、ソリューションを爆発させることを示しています。^[27]正則化方法は、反転の固有の不安定性に対抗するために使用されます。これらの方法の目的は、解のノイズ成分を除去し、同時に解の内容を可能な限り多く保持することです。ノイズと規則性の間の理想的な妥協点は、いわゆるパラメータ選択ルールによって表現されます。一般的に使用される正規化方法は、切り捨て特異値分解、矛盾原理と組み合わせたティホノフ正規化、L曲線法、またはパラメータ選択ルールとしての一般化交差検証法です。 ^{[28] [29] [30]} モデル式（1）は、ほぼ球形の粒子（バイオマス燃焼エアロゾルなど）に対して適切な近似を提供しますが、非球形の場合には実行可能な説明を提供しません。粒子の形状は、側方および後方方向の散乱に大きな影響を与えることが知られています。^[31]最近の研究では、球状粒子近似は球形よりもはるかに正確に光学データを再現できることが示されています。^[32]${\displaystyle \left[r_{\min},r_{\max}\right]}$${\displaystyle \lambda _{i}=\{355,532,1064\}}$${\displaystyle i=\{1,2,3\}}$

ライダーシステムは、大気中のガス（水蒸気、オゾンなど）や産業排出物（SO ₂、NO ₂、HClなど）の濃度プロファイルを測定するために使用できます。このような測定は、ラマン ライダーと差分吸収ライダー（DIAL）という 2 つの基本的なタイプのライダーを使用して実行されます。最初のタイプでは、ラマン ライダーは、ラマン散乱によるレーザー ビームの散乱を検出します。このような散乱によって誘発される周波数シフトは各分子に固有であり、その特定の寄与を検出する「シグネチャ」として機能します。2 番目のタイプである DIAL システムは、2 つの異なる周波数で 2 つのビームを放射します。1 つのビームは分子吸収線に正確に調整され、もう 1 つのビームは分子吸収のない近くの波長に調整されます。2 つの周波数で散乱光の強度差を調べることにより、DIAL システムは大気中の特定の分子の寄与を分離できます。

ライダーシステムは、特定の高度範囲に適応したさまざまな技術を使用して、地上から約120kmまでの大気温度を測定することができます。 ^[33] 最先端のライダーシステムでは、これらの技術のいくつかを1つのシステムに組み合わせることができます。^[34]

大気圏下層部の温度測定は、通常、分子の散乱または吸収特性の温度依存変化を利用して行われます。回転ラマンシステムは、窒素や酸素などの基準ガスから散乱されたレーザー光の回転ラマンバンドの温度依存散乱スペクトルを利用できます 。^[35]このラマンシフト散乱光のみを正確に測定することで、このようなシステムは、夜間は最大 40 km、日中は最大 12 km の温度プロファイルを決定できますが、範囲は測定時間の関数であり、高高度ではより長い積分が必要です。回転ラマン ライダーは、便利な能動的な遠隔大気温度プロファイリング技術ですが、実装には外部キャリブレーションが必要です。これは本質的に必要なことではありませんが、必要な受信機キャリブレーション項を直接測定する効果的な方法の開発にはほとんど成功していません。そのため、代わりにこれらの項は通常、ラマン温度推定値が補助的な温度測定値（通常はラジオゾンデ）と一致するように調整されます。

差分吸収ライダー（DIAL）を使用して下層大気（地表から6 km）の温度をプロファイリングするという概念は、1980年代を通じて提案されていました。この技術では、770 nm付近の温度依存酸素吸収線を調べることが提案されました。DIAL温度プロファイリングの利点は、外部キャリブレーションが不要なことです。しかし、分子散乱体によるスペクトル広がりの影響により、ライダーで酸素吸収を測定するという問題は数十年にわたって解決が困難でした。この技術が、水蒸気DIAL、酸素DIAL、高スペクトル分解能ライダー（HSRL）を1つのシステムに組み合わせた多用途のダイオードレーザーベースのアーキテクチャを使用して正常に実証されたのは2019年になってからでした。^[36] HSRLは、酸素吸収分光法の補正に必要な分子散乱光とエアロゾル散乱光の相対比を直接測定し、水蒸気DIALは酸素数密度の補正を提供します。追加の測定があっても、温度を取得するための逆変換は、従来のDIAL技術よりも大幅に複雑です。

弾性後方散乱ライダーは、上層大気（約 30 km ～ 約 100 km）の温度プロファイルを導き出すために使用されます。雲やエアロゾルが存在しない場合、これらの高度からの後方散乱レーザー光は分子散乱のみによるものです。受信信号は分子の数値密度に比例し、理想気体の法則に基づいて温度と関連しています。120 km までの高高度での温度プロファイルは、Na、Ca、K、Fe などの金属原子の吸収スペクトルの広がりを測定することで導き出すことができます。

ライダーは、光ドップラー効果に基づいて完全な風ベクトルを取得することができます。いわゆるドップラーライダーは、後方散乱光の周波数シフトを検出することで分子や粒子の動きを捉えることができます。特に、放射光の周波数が f ₀ =c/λ ₀（λ ₀はレーザービームの波長）であると仮定すると、相対視線速度 v を持つ移動ターゲット（つまり、エアロゾル粒子または分子）の場合、ライダー受信機によって検出される後方散乱光の周波数シフトは Δf=2v/c に等しくなります。粒子速度は、視線速度が正の場合、ターゲットがライダーに向かって移動していることを意味し、正の周波数シフトにつながると定義されます。^[21]ライダーのアプリケーションに関する文献では、視線速度は常に半径速度と呼ばれます。シフトの大きさはいくつかの方法で検出できますが、主な方法はコヒーレント検出と直接検出検出技術です^[37]

エアロゾルをトレーサーとして使用する場合、戻り信号の強度は大気中のエアロゾル負荷に依存し、これは地理的位置、大気の状態、および総観状況に依存することが知られています。動作波長は、基礎となる粒子サイズに敏感な任意の波長にすることができます。一般に、エアロゾルの戻りは、UV 帯域の低波長で改善されます。ただし、ライダー信号は UV 帯域の空気分子に対してより敏感になり、予想されるエアロゾル対分子の後方散乱比を満たすことがより困難になります。ドップラー ライダーは通常、天頂に向けられ、垂直風成分の垂直分解プロファイルを提供します。水平風成分を取得するために、スキャン技術が適用されます。

このようなシステムのいくつかは、空港、風力発電所、惑星境界層の乱流の研究などに関連する用途のために地上から運用されています。欧州宇宙機関のADM-Aeolus衛星ミッションは、宇宙から運用される最初の風ライダーになります。

JAXAと三菱電機は、晴天乱気流による事故を半減させるために、SafeAvio航空機搭載型ライダーを開発している。1.9kW、148kg（325ポンド）のプロトタイプは、空間分解能300m（980フィート）で、1～30km（0.5～16海里）のリモートセンシング範囲は、40,000フィートでは9kmに短縮される。このシステムは、揺れを最小限に抑えるための自動姿勢制御を開発する前に、乗務員に乗客にシートベルトを締めるように警告する。プロトタイプは、2018年3月にボーイングの777Fエコデモンストレーターで飛行試験され、目標と要件は2019年3月までに決定され、システム開発の決定前に2020年3月までに実現可能性レポートが完成する予定である。^[38]

ライダーは、上層大気での共鳴散乱を利用して金属原子を検出します。このようなシステムでは、放射されるレーザー光を研究対象の種の共鳴周波数に正確に調整する必要があります。^[39] 最初のそのような測定は、中間圏界面における金属ナトリウム (Na) の原子層の検出でした。^[40]現在、同じ技術が金属カリウム (K)、リチウム (Li)、カルシウム (Ca)、カルシウムイオン (Ca イオン)、鉄 (Fe) の検出に適用されています。これらの測定は、大気のあまり研究されていない領域に関する重要な情報を提供し、これらの高度での種の濃度、起源、および複雑な大気のダイナミクスに関する知識を増やすのに役立っています。

惑星境界層（PBL）は、地球表面の存在によって直接影響を受け、約1時間以内のタイムスケールで地表の強制力に反応する対流圏の一部です。^[41]対流乱流混合プロセスは、 PBLの混合層（ML）で支配的であり、大気汚染物質の成長と輸送に大きな影響を与えます。PBLの気象変数（温度、湿度、風）は、空気質モデルの信頼性の高いシミュレーションの入力として非常に重要です。MLの垂直範囲を決定する重要なパラメーターの1つは、PBLの高さです。

観測の観点から見ると、PBL の高さは歴史的にラジオゾンデで測定されてきたが^{[42] [43]}、近年ではライダーなどのリモートセンシング機器が利用されている。^{[44] [45]} PBL の高さは時間的にも空間的にも数メートルから数分程度と大きく変化することがよく知られているため、ラジオサウンディングは PBL の高さの観測には最適な選択肢ではない。ライダーを使用して PBL の高さを検出するという概念は、ML と自由大気のエアロゾル濃度に大きな勾配があるという仮定に基づいている。PBL の高さの検出にラジオゾンデではなくリモートセンシング機器を使用する利点は、ラジオゾンデからの典型的な観測が 1 日 2 回であるのに対し、ほぼ連続的な監視が可能なことである。PBL の高さを継続的に監視することで、大気汚染物質の主な原因である ML 内の対流乱流プロセスの深さをよりよく理解できるようになる。

PBL の深さは、自由対流圏 (FT) と境界層を分ける逆転層の高さとして定義されます。^[41]通常、PBL の上部では、浮力フラックスが最小になり、温位、水蒸気、エアロゾルの大きな勾配が観測されます。PBL は最大乱流領域であるため、PBL の深さの正確な位置を特定することは、気象モデルや大気質モデルのパラメータを確実に表現するために不可欠です。PBL では対流混合プロセスが優勢であり、それが結果としてエアロゾルの構造と組成に影響を与えることはよく知られています。対流混合の垂直範囲を知ることで、境界層内の大気をより正確に描写できるようになります。近年、PBL の高さを識別および観測するために、LIDAR などのリモートセンシング機器が使用されています。LIDAR を使用する利点は、高解像度の時間的および垂直的な空間カバレッジであり、連続的かつほぼ自動化された状態で操作できる可能性があります。したがって、瞬間的な PBL 高度を記録できるため、日周変化や長期気候研究などのより詳細な分析が可能になります。

ライダー観測からPBLの高さを決定するために、いくつかの方法が適用されてきました。それらは客観的な方法と主観的な方法の両方です。客観的な方法は、さまざまな形式の微分法、^[44]ウェーブレット解析法、^[46]分散法、^[47]および理想的なプロファイルフィッティング法で構成されます。^[48]目視検査法^[49]は主観的なアプローチとしてあまり使用されませんが、最良のアプローチではありません。

シーロメーターは、航空機の進入経路上の雲の測定に最適化された地上ベースの LiDAR であり、PBL 研究にも使用できます。

大気リモートセンシングのための新たなライダー技術が登場した。これはシャインプルーフ原理に基づいており、シャインプルーフライダー（スライダー）と呼ばれている。^[50]

「シャインプルーフ原理の意味は、レーザービームが大気中に送信されると、物体面、像面、レンズ面が互いに交差している限り、照射プローブ体積全体の後方散乱エコーは、開口部を縮小することなく同時に焦点が合ったままであるということです。」^[51]送信されたレーザービームの後方散乱エコーを解析するために、2次元CCD / CMOSカメラが使用されます。

したがって、従来のライダー技術の場合と同様に、複雑なナノ秒パルス光源を使用する代わりに、ダイオードレーザーなどの連続波光源をリモートセンシングに使用できます。^[51] SLidarシステムも、コンパクトなレーザーダイオードとアレイ検出器に基づく堅牢で安価なシステムです。^{[51] [52] [53]}シャインプルーフ原理に基づく 連続波（CW）NO _{2 DIALシステムは、コンパクトな高出力CWマルチモード450 nmレーザーダイオードを光源として使用して開発されました。NO 2}吸収スペクトルのオンラインおよびオフライン波長でのレーザー放射は、レーザーダイオードの注入電流を調整することによって実装されます。ライダー信号は、シャインプルーフ原理を満たす45°傾斜エリアCCDイメージセンサーによって検出されます。ほぼ水平な経路上の距離分解されたNO ₂濃度は、NO ₂ DIALシステムによって0.3〜3 kmの範囲で取得され、従来の大気汚染監視ステーションで測定された濃度とよく一致しています。暗闇の中でも15分平均と700mの距離分解能で、0.3～1kmの範囲で95%信頼水準で±0.9ppbvの検出感度が達成され、大気中のNO2の正確な濃度測定が可能となる_{。本研究で実証された低コストで堅牢なDIALシステムは、野外NO2}リモートセンシングアプリケーションに多くの可能性をもたらす。^[54]

• 大気の響き

• ギムスタッド、ゲイリー・G.、ロバーツ、デビッド・W.（2023）。ライダーエンジニアリング：基本原理入門。ニューヨーク：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-19851-6。
• Kovalev, Vladimir A.; Eichinger, William E. ( 2004).弾性ライダー: 理論、実践、および解析方法。ニューヨーク: John Wiley & Sons。doi :10.1002/ 0471643173。ISBN 9780471643173。
• Measures、Raymond M. (1984)。レーザーリモートセンシング：基礎と応用。Wiley。
• ヴァイトカンプ、クラウス (2005)。ヴァイトカンプ、クラウス (編)。ライダー: 大気圏の距離分解光学リモートセンシング。Springer 光科学シリーズ。第 102 巻。Springer。doi : 10.1007/b106786。ISBN 978-0-387-40075-4。