NASAがISSに塵スキャン分光計を送る理由

NASA が木曜日の夕方に国際宇宙ステーションへの補給ミッションを開始した際、ロケットには宇宙の生命や遠く離れた星々を研究するだけでなく、地球に向けるための機器が搭載されていた。その中には、地球の大気圏の塵の渦の特性を研究するために設計された超高感度光センサーのセットも含まれている。

大気中の塵は地球の栄養循環において強力な力を持っていますが、その力は完全には解明されていません。水が蒸発し、雲を形成し、雨が降るのと同じように、塵にも独自のパターンがあります。塵は世界中の砂漠から絶えず巻き上げられ、堆積するとアマゾンの熱帯雨林を肥沃にし、深海の海洋生物の爆発的な増加を促し、カリフォルニアの山々の雪を温めます。

こうした塵は気候を変えてしまう。明るい色の堆積物は熱を宇宙に反射するが、鉄分を多く含む暗い色の塵は熱を吸収する。今年の夏、サハラ砂漠の塵の柱が米国南部を移動した際、空は山火事の煙のもやのようにオレンジ色に染まった。しかし、塵の影響が蓄積した結果は謎に包まれている。

「鉱物ダストが地球を温めるのか冷やすのか、私たちは実際には知らない」とNASAジェット推進研究所の上級科学者で地球表面鉱物ダスト源調査（EMIT）プロジェクトの主任研究員であるロバート・グリーン氏は水曜日に語った。

EMIT の新しいセンサーが ISS に設置され、数週間以内に準備が整うと、10 億以上の測定値が送信され、気候科学者は地球の塵のサイクルについて初めて総合的に観察できるようになります。これらのデータは、研究者が地球を理解するために使用する重要なツールを改良する可能性があります。気候変動に関する政府間パネルは、塵の未知の影響が気候モデルと現実の差の原因であると考えています。

グリーン氏はポピュラーサイエンス誌とのフォローアップインタビューで、センサーがどのように機能するかを説明した。

大きな塵の隙間

現在、科学者が大気中の砂塵を研究する場合、かなり大雑把なツールに頼らざるを得ない。衛星は砂嵐のスナップショットを数枚撮影することはできるが、地球全体の写真を撮ることはできない。モデル作成者も砂塵を簡略化した見方で捉えている。多くの気候モデルは、ユタ州の白亜質の塩原からであろうと、黄土色のサハラ砂漠からであろうと、すべての砂塵は黄色で、太陽エネルギーの一部しか吸収しないと想定している。

2015年、コーネル大学の研究チームは、既存の2つのデータを融合して塵を表にまとめようとした。一方には、ミネラル含有量を分析した土壌サンプル5,000個のデータベースがあり、もう一方には、国連食糧農業機関が作成した、土を色と質感だけで分類した地球規模の土壌地図がある。理想的には、鉱物学者が塵の色と質感を土に含まれる実際のミネラルと一致させられるだろうという考えだった。「これはある意味定性的なものだと言えますが、どこかから始める必要がありました」とグリーンは言う。

これは、実際に空気中に存在するものの不完全な近似値であることが判明した。第一に、5,000 個のサンプルのほとんどは農地から採取されたもので、実際に塵の原因となっている砂漠から採取されたものではない。第二に、土の形や色合いだけで土に何が含まれているかを知るのは非常に難しいことが判明した。しかし、塵の組成に関する予測を実際の塵のサンプルと比較したところ、「測定値と一致しないことがわかりました」とグリーン氏は言う。「つまり、表面の鉱物についてはまったくわかっていないのです。」

空の目

EMIT は、表面から反射する光を利用して分子の中身を理解する技術である分光法を使用して、世界中の乾燥した埃っぽい場所を直接測定します。

ISS が地球を周回する間、EMIT は望遠鏡を地球の表面に向けます。入射した光は狭いスリットを通過し、その構成色すべてに屈折します。EMIT のセンサーは 12,410 種類の異なる色帯を検出できます。

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「岩石は鉱物でできています。鉱物は概して異なる分子で、それらの分子は光と異なる方法で相互作用します」とグリーン氏は言う。鉱物はそれぞれ異なるスペクトル指紋を持っている。分光計は大気中の塵を直接測定するわけではない。塵が大気中に浮遊していると光が乱れてしまうからだ。その代わりに、この機械は地上に焦点を合わせ、気象モデル作成者に上空の塵雲を再構築するのに十分な情報を提供する。

EMIT は、大気と植生の影響を補正した後、スキャンする 645 平方フィートの各区画のざらざらした構成要素を検出できます。

世界の砂漠の全体像を把握するには1年もかからないはずで、これによって地球の気候モデルが改良されることになる。しかし、それが完了すれば、EMITの分光計は新たな観測に転用される可能性がある。

飛行機に搭載された類似または同一の分光計は、北米の森林火災リスク、ペルーの熱帯雨林の生物多様性、プラスチック汚染源、メタンの煙、希土類元素の存在を調査するために使用されてきた。「現在、この分光計は宇宙に持ち込まれています」とグリーン氏は言う。宇宙では、風に舞う塵を観察するのは始まりに過ぎない。