人工衛星搭載型温室効果ガス検知システム

[１]特徴

１．地表付近の平均大気は水蒸気を除けば、窒素（７８．０８％）、酸素（２０．９５％）、アルゴン（０．９３％）、二酸化炭素（０．０３％）、その他のガスで大部分が構成されている。また、現在、地球の平均気温は１４℃前後である。大気中に水蒸気、二酸化炭素、メタンなどの温室効果ガスがなければ、マイナス１９℃程度になるといわれている。太陽から地球に降り注ぐ光は、地球の大気を素通りして地面を暖め、その地表から放射される熱を温室効果ガスが吸収し大気を暖めているからとされている。

２．近年、産業活動が活発になり、①二酸化炭素、メタン、さらにはフロン類などの温室効果ガスが大量に排出されただけでなく、同時に、②酸素が大量に消費されかつ森林破壊が急激に進み、③もともと植生に覆われた土地が不毛地になっていく砂漠化が進行しために空気中の酸素濃度が低下したため、大気中の温室効果ガス濃度が高まり熱の吸収が増えた結果、気温が上昇し始めている。これが地球温暖化とされている。

３．温室効果ガス別の地球温暖化への寄与は、二酸化炭素７６．７％、メタン１４．３％、一酸化二窒素７．９％、オゾン層破壊物質でもあるフロン類(CFCs、HCFCs)１．１％、となっています。つまり、石油や石炭など化石燃料の燃焼などによって排出される二酸化炭素が最大の温暖化の原因と言える。

４．この二酸化炭素濃度は、産業革命前１７５０年の２８０ppmから２０１３年には４００ppmを超え、40％以上も増加した。大気中の二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素は、過去８０万年間で前例のない水準まで増加すると予測される。

５．世界平均気温は工業化前と比べて、２０１１～２０２０で１．０９℃上昇している。陸域では海面付近よりも１．４～１．７倍の速度で気温が上昇し、北極圏では世界平均の約２倍の速度で気温が上昇すると予測されている。最近３０年の各１０年間の世界平均気温は、１８５０年以降のどの１０年間よりも高温化した。

今後、

①温室効果ガス濃度がさらに上昇し続けるまたは

②酸素濃度が減少し続けると、または、

③砂漠化が進行すると、今後気温はさらに上昇すると予測される。

IPCC第６次評価報告書によると、今世紀末までに３．３～５．７℃の上昇(SSPD-８．５)と予測されている。

６．国土強靭化ソリューション、温暖化防止ソリューション、持続可能な社会インフラ実現ソリューションである人工衛星搭載型温室効果ガス検知システムは、衛星光電子工学応用火山性噴火ガス検知赤外（IR）分光・FT-IR分光レーザーリモートセンシングモジュールをオプションとして実装することで、人工衛星搭載型ガス検知システムは、地上に発生・噴出した、地球温暖化の主因とされる温室効果ガス発生地点・排出地点・ガス種・量・排出総量・濃度・移動方向・移動速度等を検知するガス検知衛星光電子工学技術として、リアル物理データとして、主成分である水蒸気や二酸化炭素のほか、二酸化硫黄（亜硫酸ガス）、硫化水素や塩化水素等の各種温室効果ガスを、常時収集（例えば、１時間に一回収集）することで

①２４時間常時、②リアルタイム、かつ③in situでの定性·定量解析による数値化・可視化を実現している。

 

[２]温室効果ガスの検知・予知・予測構成
人工衛星搭載型ガス検知システムでは、火山性噴火ガス検知赤外（IR）分光・FT-IR分光レーザーリモートセンシングモジュールがリモートセンシングした温室効果ガス情報を用いて、システム内の人工知能プロブラムが人海戦術や温室効果ガス発生地点・排出地点・ガス種・量・排出総量・濃度・移動方向・移動速度等の予測判断の専門家の知識や直感、個人差・ばらつき・ムラ等に依存しない噴火予兆の２４時間常時・リアルタイム・in situでの定性·定量解析による予知・予測を実現している。
　人工衛星搭載型ガス検知システムの光源であるフェムト秒レーザーは、核兵器・通常兵器無効化ソリューションとして人工進化研究所（AERI https://www.aeri-japan.com/）が提供している対戦闘機・対ミサイル・対ICBM用次世代迎撃レーザーシステム（ＡＥＲＩ・ＨＥＬ地対空防衛システム／ミサイル防衛システム https://www.aeri-japan.com/anti-icbm-interceptor-lasersystem ）と共通の高エネルギーレーザー（ＨＥＬ）モジュールを用いている。
　人工進化研究所（AERI https://www.aeri-japan.com/）の超高エネルギーレーザー（ＡＥＲＩ・ＨＥＬ技術）は、５０ＭＷクラスのスーパーパワーで、空間分解能１０平方μｍ～１０平方ｍｍ、可変波長紫外～中赤外領域の任意波長が選択でき、ＣＷ～フェムト秒（１０ｆｓ程度）の超短パルス幅といった高分解能と高時間分解能を有する極短パルスを、２００ｋｍ程度の超遠距離で任意に生成できる。

 

[３]温室効果ガス検知・検知・予知・予測構成
人工進化研究所（AERI https://www.aeri-japan.com/）が国土強靭化ソリューション、温暖化防止ソリューション、持続可能な社会インフラ実現ソリューションとして提供する人工衛星搭載型温室効果ガス検知システムは、上記衛星光電子工学応用赤外（IR）分光・FT-IR分光レーザーリモートセンシングモジュールを実装している。

　これにより、地球温暖化の原因とされている温室効果ガス（水蒸気、二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素、フロンなど）の高精度な全球規模の①２４時間常時、②リアルタイム、かつ③in situでの観測（モニタリング）が実現可能である。

衛星光電子工学応用赤外（IR）分光・FT-IR分光レーザーリモートセンシングモジュールを実装（搭載）することで、短波長赤外領域の観測スペクトルから二酸化炭素、メタン、水蒸気の濃度（例えば、カラム平均濃度）を推定することができる。

 

【４】本システムによる経済効果

　これにより、従来の衛星写真や観測点計測のような、人海・静的観測ではなく、人工衛星レーザー応用リモートセンシング（衛星光電子工学応用技術）によるダイナミック・リアルタイム・in situ観測による温室効果ガス総量実測や予測を実現できるようになる。本システムによる経済効果は少なくとも１００兆円を下回らない。従来の人知に頼る温室効果ガス総量実測や予測の分野に革命的進化をもたらすことができる。
 

 

【５】総括
以上、人工進化研究所（AERI https://www.aeri-japan.com/）が提供する人工衛星搭載型温室効果ガス検知システムは、気候変動問題への対応に関係するグローバル機関、政府機関・気象庁や大学、研究者らが人海戦術で、点在（定点設置）された各種の高精度の観測装置を用いた計器観測、及び人手による現地観測を通して温室効果ガスのガス発生地点・排出地点・ガス種・量・排出総量・濃度・移動方向・移動速度等の監視が２４時間常時、②リアルタイム、かつ③in situでの定性·定量解析による数値化・可視化が実行可能となり、気候変動問題解決技術に革新的進歩をもたらすものである。
以上

 

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備考：赤外分光法
１．【概要】
１．赤外分光法（infrared spectroscopy、 略称IR）0.8～1000μｍの赤外領域の光を分子に照射すると、赤外線の振動周期と原子の振動周期が一致する場合に、個々の原子、原子団はそれぞれの周期に応じてエネルギーを吸収し、振動は基底状態から励起状態に変化する。この吸収が赤外線スペクトルの吸収となって現れる。原子は分子構造に応じた固有の振動を有するため、吸収スペクトルを解析することで分子構造に関する知見を得る手法。最もよく利用されるのは、中赤外の領域（2.5～25μｍ）で、この領域の吸収スペクトルは、分子振動のなかでも、双極子モーメントの変化を伴う振動によって生じる振動スペクトルである。対象物の分子構造や状態を知るために使用される。
２．物質は、赤外線を照射すると、それを構成している分子が光のエネルギーを吸収し、量子化された振動あるいは回転の状態が変化する。したがって、ある物質を透過（あるいはある物質で反射）させた赤外線は、照射した赤外線よりも、分子の運動の状態遷移に使われたエネルギー分だけ弱いものとなっている。この差を検出することで、分子に吸収されたエネルギー、言い換えれば対象分子の振動・回転の励起に必要なエネルギーが求められる。
３．分子の振動・回転の励起に必要なエネルギーは、分子の化学構造によって異なる。したがって、照射した赤外線の波数を横軸に、吸光度を縦軸にとることで得られる赤外吸収スペクトルは、分子に固有の形を示す。これにより、対象とする物質がどのような構造であるかを知ることができ、特に有機化合物の構造決定によく使われている。スペクトルのうち、波数が1500cm-1以上の部分を診断領域、それ以外の部分を指紋領域という。前者は二重結合、三重結合そして水素原子と結合するものの、後者は単結合の振動励起の結果が表される。また、同じ分子であっても、温度や周囲の状況（自由に動いているか、何かの表面に吸着しているか、など）によって、赤外スペクトルは微妙に変化する。これより、物質の表面構造などについても知ることができる。
２．【手法】
赤外分光法には（１）熱赤外分光法（Thermal infrared spectroscopy 略称TIR）、（２）近赤外線分光法（near‐infrared spectroscopy 略称NIRS）、（３）FTIR (フーリエ変換赤外分光法) 等の手法がある。
１．熱赤外分光法（Thermal infrared spectroscopy 略称TIR）
TIRとは赤外分光法の一つであり、物体の構成物質を決定する目的で広く使われている。物体全体や表面から放出された熱赤外線を測定し、その電磁スペクトルを解析して既知の物質のスペクトルと比較することで構成物質を決定できる。
２．近赤外線分光法（near‐infrared spectroscopy 略称NIRS）
NIRSとは、近赤外線領域での分光法。測定対象に近赤外線を照射し、吸光度の変化によって成分を算出する近赤外拡散反射スペクトル分析機能を備えている。特長として、近赤外線は中赤外線・遠赤外線と比較して吸収が極めて小さいため、切片等を作成することなく、非破壊・非接触での測定ができる。
実用化のための難点としては、近赤外線分光法では倍音・三倍音を観測すること、光の吸収は様々な要因が複合しているために成分との直接的な関連付けが困難なことなどがあった。しかし、コンピュータの低価格化と多変量解析(ケモメトリックス)の発達により、定量分析に応用することが可能となった。
３．FTIR (フーリエ変換赤外分光法) 
FTIRとは、IR(赤外分光法)のうち、FTIR 原理が適用（信号を時間領域で記録した後、周波数領域にフーリエ変換）されたもの。FTIRは波長を変化させて試料に赤外線を照射するのではなく、連続光を試料に照射し、干渉パターンをフーリエ変換することで分子構造に応じた吸収スペクトルを取得し、物質中の原子団（基）の情報を得る手法。連続光による全波数域の入射光を同時に測定できることから、短時間で高感度の測定が可能。
FTIRには透過法反射法と測定法がある。透過法としては、KBr錠剤法、ヌジョール法、KBrプレート法、薄膜法、液膜法、溶液法、ガス測定法等がある。反射法としては、ATR法、拡散反射法、正反射法（正反射光）、正反射法（透過反射光）、高感度反射（RAS）法等がある。