超高層大気中で高度100-200kmは最後に残された未解明領域と言われている。この領域は上層部では太陽極端紫外光〜紫外光による加熱によって気温は700-1000Kに保たれているが下層部ではCO₂,NOなどの分子の赤外放射による冷却により気温は200K程度であり、高度方向の温度勾配が非常に急な領域として知られている。しかしこの高度領域での温度測定そのものが困難なことから、現在まで直接的な温度測定はほとんどなされていない。イオン温度と中性温度が平衡状態にあるとの仮定からIS(非干渉散乱)レーダーにより測定されたイオン温度から中性大気の温度を推察する手法が従来からとられていた。また中性大気そのものの温度観測としては分子の回転-並進状態が平衡にあるとの仮定から回転温度を求めることで並進温度を推察することがなされた[Deleeuw,1974;Barth,1993]。分子の振動状態に関しては並進-振動間の緩和時間がこの高度域では10³-10⁴[s]であるため一般に振動温度と並進温度は等しくない。特にN₂に関しては酸素原子の準安定状態であるO(¹D)の化学エネルギーがN₂の振動エネルギーに有効に受け渡され、振動温度が並進温度より高いことが提唱されている[Walker 1968]。振動励起された状態は電子と大きな衝突断面積をもつことから電離層E層領域(高度95-160km)において電子温度に大きく作用しているといわれる。また電離層電子密度を大きく左右する以下の化学反応

　は左辺の窒素分子の振動温度に大きく依存することが知られている。このように下部熱圏・電離圏のダイナミクスを解明する上で中性大気の80%を占める窒素分子の振動温度、回転温度を測定することは非常に重要でありながら直接測定は過去、振動温度はO’neil[1974]、回転温度はDeleeuw[1974]のみである。このため我々は振動温度、回転温度、数密度を同時に測る測定器を全く新たに開発し実際に測定することを目指した。

図1 測定器配置図

　図1に測定器の概要を示す。測定はロケット本体から電子ビームをロケット基軸に垂直に放って周囲の大気中の窒素分子を電離励起し、放射遷移に伴う可視スペクトルを回折格子型分光器で検出することで行なわれる。通常、分子の振動回転状態を推察するには赤外-マイクロ波領域の振動回転スペクトルの放射を測定することで行なうが窒素分子は等核二原子分子で赤外不活性のため窒素分子の振動回転バンド単独では自然界には存在しない。このため電子ビームで電離同時励起し、電子準位遷移に伴う振動回転スペクトル(1st Negatvie Band,以後1NGと略)を測定する方法を用いた。1NGバンドの振動回転構造から電離前の基底状態の窒素分子の振動温度,回転温度を算出することは、電子衝撃過程で振動励起に関してはFranck-Condonの仮定、回転励起に関してはDipole励起の仮定を用いることで可能となる。これらの仮定が成り立つためには入射電子のエネルギーが十分大きいことが必要であり、低エネルギーの電子によって電離励起して生じるスペクトルから求めた振動温度は一般に実際の温度より高いことが知られている。室内実験において入射電子エネルギーが1keVであれば実際の振動温度が求められることがわかった。しかし、電子ビームによる窒素分子ガスの電離あるいは機器の表面に電子ビームが照射されることによって生じる二次電子が一次ビーム電子に混入する可能性があるため振動温度測定に際しては二次電子の存在に特に注意する必要がある。またスペクトルを解析する際の技術的な問題として搭載機器の寸法の制約から波長分解能が1nm程度の小型分光器では回転スペクトルが分離できず回転温度を求めることが困難な点がある。しかし、この問題は測定過程を再現して計算した線スペクトルに分光器の装置関数をコンボリューションすることで人工スペクトルを計算し、実験スペクトルに回転温度をパラメータとして最適フィットすることで解決した。高度100kmに相当する真空度で回転温度は10K程度の誤差で求めることが可能となった。また、人工スペクトルを計算することでスペクトル間の重なり、実験原理の妥当性なども明らかになった。過去のO’neil[1974]の測定が4チャンネルの光増倍管による測定であったことに対し、今回の測定は分光器とイメージセンサーによってスペクトルイメージを検出し2次電子の影響、スペクトル間の重なりを考慮した点が改善されている。

　開発された測定器は観測ロケットS-310-24号機に搭載され、日本時間で1996年2月11日20:00に鹿児島宇宙空間観測所(31.1°N,131.3°E)から打ち上げられた。このとき、太陽活動度を示す太陽電波束F10.7は68.2[10^-22Wm^-2Hz^-1]でほぼ極小期であった。観測は上昇時は高度100-160km、下降時は高度90-150kmにわたって行なわれた。図2に1NG(0,1)bandと1NG(1,2)bandの観測スペクトルと最適フィットした人工スペクトルを示す。

図2 観測スペクトル(実線)と計算スペクトル(点線)

　回転温度は220K、振動温度は600K以下と決定された。高度は105km±3kmである。図3にロケット上昇時の窒素分子の数密度の高度プロファイルを示す。太線が観測結果、細線が標準中性大気モデルMSIS86による窒素分子の数密度である。高度110km以下では数密度は衝撃波の影響を受けてMSIS86モデルより大きな値を示した。高度110km以上では全体的にMSIS86モデルより高度方向の数密度減少の傾きが緩やかである。数密度はexp(-z/H)(ただしH:スケールハイト)に比例し、Hが温度に比例するのでこの高度領域で温度がMSISより高いことが予想される。図4にロケット上昇時に観測された回転温度の高度プロファイルを示す。実線は1NG(0,0)bandから点線は1NG(0,1)bandから求めた温度である。細実線がMSIS86より求めた並進温度である。窒素分子は観測高度領域では急激に密度が低下し、観測高度が上がるにつれスペクトルのSN比が落ちるため温度のばらつきも大きくなる。2つのバンドから求めた回転温度は高度100-120kmでは一致するためこの高度域の回転温度は信頼がおける。一方、高度120km以上では2つのバンドの回転温度が解離しはじめる。1NG(0,1)バンドに較べ1NG(0,0)の強度の方が3倍大きいため1NG(0,0)バンドによる温度が本来の温度に近い。1NG(0,0)バンドの温度は100-140kmにおいてMSISより高いが、このことは数密度観測とつじつまが合う。また1NG(0,0)バンドの温度は緩やかな波状構造がみられ、鉛直波長は51kmであり、潮汐波のS(2,4)モードの鉛直波長53kmに近い。温度振幅は80K近くに達した。MSIS86モデルが平均的な大気の描像であり潮汐波、重力波のような短時間スケールの現象を考慮に入れておらず、波動にともなう5-10m/s程度の鉛直風による断熱圧縮膨張効果、熱移流効果を考慮すれば本観測にみられるような大きな温度変動は不可能ではない。最後に振動温度観測結果について述べる。高度100-110kmにおいて二次電子が数多く生成され、振動温度測定に影響を及ぼした。しかし、二次電子の生成は低エネルギー電子に大きな発光断面積をもつN₂2nd Postitive Band(N₂C³_u→N₂B³_g)が現れることで推定できる。このため、2nd Positive Bandが現れているスペクトルを除外して振動温度を決定した。図5に過去の振動温度の理論的な計算に加え、O’neil[1974)による振動温度上限と今回の測定によって得られた振動温度を示す。振動温度は800K以下ではほとんど振動励起されないこと、高高度でのスペクトルのSN比が小さかったことから上限値を与えるにとどまった。しかし、80年代以降の振動温度の計算結果はすべて今回の上限値以下であるため、今までの振動温度の議論と今回の観測が矛盾しないことがわかった。本測定から太陽活動度極小期の夜間においては振動励起はあまりなされておらず、振動励起窒素分子が電離層に与える影響は小さいであろうと考えられる。

図3 数密度観測結果(上昇時)太実線が観測値、細実線がMSIS86の値。

図4 回転温度観測結果(上昇時)実線が1NG(0,0)bandから求めた温度、点線が1NG(0,1)bandから求めた温度。細実線がMSIS86の値。

図5 S-310-24による振動温度観測結果(破線)と過去の振動温度観測および計算結果(Kummler et al.1972から引用)。