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雲の上: なぜミリ波レーダーが雲を探索するのに最適なツールなのか?
気候変動と異常気象の頻度が高まるにつれ、科学界は雲の研究にますます注目を集めています。雲の性質とダイナミクスは、天気予報と気候モデルの精度に直接影響します。この点で、ミリ波レーダーは雲の構造とそのダイナミクスを調査するための最良のツールの 1 つと考えられています。このハイテク レーダー システムは前例のない解像度を提供するため、研究者は雲の微物理的特性を分析し、その進化を追跡することもできます。
ミリ波レーダーの仕組み
ミリ波レーダーは、雲を監視するために特別に設計されたレーダー システムで、その動作周波数範囲は通常 24 ～ 110 GHz であり、従来の S バンド レーダーと比較して波長が約 1 mm ～ 1.11 センチメートルです。この特性により、ミリ波レーダーは雲の中の小さな水滴や氷の結晶をより高感度に検出できるようになります。
ミリ波レーダーは、高い時間分解能と距離分解能により、雲の境界とその微小物理的特性を正確に識別できるため、科学者は雲の反射、吸収、放射エネルギーの変換のプロセスをより深く理解できます。
ミリ波レーダーは通常、35 GHz の Ka バンドと 94 GHz の W バンドで動作します。この 2 つの周波数は大気中での透過率が最も優れています。時間領域と距離の高い分解能により、研究者は 1 ～ 10 秒の範囲でデータを取得し、雲のさまざまな特性を数メートルの精度で観察できます。
ミリ波レーダーの多様な応用
これらのレーダーは、雲の物理的特性を測定するために使用されるだけでなく、霧、昆虫、エアロゾルなどの他の重要なトピックを研究するためにも広く使用されています。ミリ波レーダーは雲のない日にはほぼすべての昆虫のターゲットを検出できるため、昆虫学の研究においてその独自の価値が実証されています。さらに、これらのレーダーは大きなエアロゾルも検出できるため、科学者がエアロゾルの分布と強度を理解するのに役立ちます。
たとえば、2006 年から CloudSAT 衛星上で運用されているクラウド プロファイル レーダー (CPR) は、ミリ波レーダーの応用例として成功しています。
ミリ波レーダーの技術的特徴
ミリ波レーダーには、雲の中の水滴や氷の結晶の大きさや形状を測定できる偏光測定機能など、さまざまな先進技術が搭載されています。この技術の開発は、大気中の混合相雲の研究にとって特に重要です。なぜなら、氷の結晶の形状は、ライダーとレーダーを垂直に組み合わせた観測において、サイズと数の濃度検索の誤差につながる重要な要素だからです。
また、ミリ波レーダーの多様性は、地上、空中、宇宙などの設置形態にも反映されています。たとえば、HALO 航空機やワイオミング州の KingAir 研究航空機など、多くの科学研究航空機にはミリ波レーダーが装備されており、研究者はさまざまな高度や環境で雲の測定を行うことができます。
今後の展開と課題
ミリ波レーダーは雲の研究において優れた能力を実証してきましたが、依然としてさまざまな課題に直面しています。たとえば、レーダー データの解像度を向上させて小さな変化を正確に捉え、大気環境の不確実性に対処する方法は、依然として科学界が克服する必要がある難しい問題です。
2023 年 3 月に打ち上げられる Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (EarthCARE) ミッションも、この技術を新たな高みに押し上げることになります。これは、ドップラー機能を備えた初の宇宙雲プロファイル レーダーです。
最終的な考え
ミリ波レーダーの開発と応用により、雲についての理解が進み、天気予報や気候予測の精度の向上に役立っています。しかし、技術であれ手法であれ、刻々と変化する気象システムに直面して、私たちは探査で画期的な進歩を遂げ続け、将来の気候研究への道を切り開くことができるでしょうか?
