金星の夜間の大気循環を解明

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2021-07-22 東京大学

福谷 貴一(研究当時:地球惑星科学専攻 修士課程学生/ 現:日本アイ・ビー・エム株式会社 ソフトウェア&システム開発研究所)
今村 剛(大学院新領域創成科/地球惑星科学専攻 教授)
中村 正人(宇宙航空研究開発機構 教授)

発表のポイント

  • 金星(注1) の雲の高度における風速分布を初めて昼夜の区別なく計測し、高速大気循環のメカニズムや平均的な南北循環の理解が得られた(図1)。
  • 金星の雲頂に夜間、どのような流れのパターンが生じるのかは40年来の謎だった。今回、夜間には昼間とは逆方向の南北風が生じることが判明した(図2)。
  • 厚い雲に包まれた低速自転惑星という、地球と大きく異なる状況にある天体の大気循環の理解が進んだことは、地球型惑星の多様な環境が作られるしくみの解明につながる。

発表概要

金星には地球では見られない超回転(注2)と呼ばれる速い東風が惑星全体にわたって存在しますが、これに加えて、紫外線で観察できる昼間の雲の動きには、赤道から両極へと向かう流れが見られます。しかし、この極向きの流れのうちどれほどがハドレー循環(注3) を反映しており、どれほどが熱潮汐波(注4) にともなう昼間に特有の風であるのかは、40年来の謎でした。東京大学大学院理学系研究科の修士課程学生であった福谷 貴一、東京大学大学院新領域創成科学研究科 今村 剛教授らを中心とする東京大学・立教大学・宇宙航空研究開発機構(JAXA)などの研究グループは、JAXAの金星探査機あかつき(注5) で取得した赤外線画像の解析により、金星をおおう雲の運動を昼夜の区別なく可視化することに成功しました(図1)。その結果、夜間には昼間とは逆に赤道に向かう流れが生じることが判明し、熱潮汐波の寄与が明確となりました(図2)。ここから超回転のメカニズムやハドレー循環の形態の理解も得られました。このように金星の大気環境を維持するしくみを知ることは、惑星が多様な姿に分化するメカニズムの解明や、太陽系外に数多くあると考えられる大気の超回転が生じている惑星の理解につながります。

図1: 地方時と緯度についての風速の分布。超回転成分を差し引いたもの。影を付けた領域は夜側であり、今回初めて風速の分布が得られたところ。矢印の長さは風速に比例し、緯度について10度の長さが5 m/sに相当する。(Fukuya et al., 2021を改変)

図2:今回明らかになった金星の雲層付近の循環のイメージ。惑星全体の超回転(赤)に重なるように、昼側では極向きの流れ(水色、右)、夜側では赤道向きの流れ(黄色、左)が卓越している。今回赤外線観測で発見された夜側の赤道向きの流れが、昼側の極向きの流れを相殺している。このような昼夜の流れの違いは熱潮汐波による。昼側の画像は金星探査機あかつきに搭載された紫外カメラUVI、夜側の画像は赤外カメラLIRが撮影したもの。(金星画像はJAXA提供)

発表内容

金星は地球と同程度の大きさの惑星であり、二酸化炭素を主成分とする濃い大気を持ち、硫酸の雲が高高度に浮かんでいます。超回転と呼ばれる100 m/sに達する全球的な西向きの風が、雲頂にあたる高度65 km付近を中心に吹いています。このように地球と大きく異なる大気のしくみを調べることにより、惑星ごとに多様な環境が生じるメカニズムの理解が得られます。近年、太陽系外に高高度が雲におおわれた惑星や大気が超回転していると考えられる惑星がいくつも発見され、そのような系外惑星の研究の参照天体としても金星は注目されています。

金星大気の運動はこれまで、昼間に太陽紫外線によって照らされた雲の連続画像から主に推定されてきました。紫外線では雲に混入した化学物質の濃淡の模様が見えるため、これを追跡することができます。それによれば、超回転に加えて、赤道から両極へと向かう10 m/s前後の流れがあります。この極向きの流れは約40年前の発見当初、地球にも存在するハドレー循環という、赤道域で太陽光により加熱された大気が上昇して高緯度に向けて流れるような平均循環をとらえたものと解釈されましたが、近年は熱潮汐波という、太陽光による大気加熱が引き起こす流体波動の一部分をとらえたものという指摘があり、それぞれの寄与はよくわかっていませんでした。ハドレー循環は昼夜全ての南北風を平均した流れであり、熱潮汐波は昼夜の風の違いをもたらします。ハドレー循環と熱潮汐波は、金星全体をおおう雲が太陽光を受け止めることによって生じる、主たる2つの大気現象です。ハドレー循環はエネルギーと物質の循環を担い、熱潮汐波は超回転の維持に働いている可能性があります。これらを解明することは金星大気の理解にとって不可欠ですが、そのためには昼夜の区別なく観測して全体構造をとらえる必要がありました。

夜間の雲の動きを見るには、雲が発する赤外線を撮影して場所による雲頂温度の違いを追跡するのが良いのですが、これまで継続的に赤外線で金星全体が撮影されたことはなく、また赤外線でははっきりしたパターンが見えませんでした。今回私たちは、日本の金星探査機あかつきに搭載された赤外線カメラ(サーモグラフィ)であるLIRが2年間にわたって約1時間ごとに取得した雲画像データを用いました。そのままでは温度のむらとノイズの区別がつきにくいため、大気の超回転による雲の移動を考慮して複数の画像を互いにずらしながら重ね合わせて平均することにより、ノイズを低減しました(図3)。この工夫により、雲頂の0.3℃程度の細かな温度変動を浮かび上がらせ、大気の運動を可視化することに成功しました(動画1、動画2)。

図3:(左)LIRによる金星の赤外線画像。(中央)赤外画像を金星の地理座標に展開して細かいパターンを強調したもの。(右)画像の平均化処理によりノイズを低減したもの。(Fukuya et al., 2021を改変)

動画1:赤外線で見た夜側の雲の動き。高緯度から赤道向き に雲のパターンが収束していく様子が見える。

動画2:赤外線で見た昼側の雲の動き。赤道域から高緯度へと雲のパターンが広がっていく様子が見える。

分析の結果、夜間の雲頂には昼間とは逆に両極から赤道に向かう、昼間と同程度の速さの流れが生じていて、昼夜を通して平均すると南北の循環はほぼ無いことがわかりました(図1,図2)。夜間の赤道向きの流れは、主に日没から真夜中にかけて生じていました。また、時刻による風速の違いから、熱潮汐波の速度構造が初めて判明しました。熱潮汐波は東西方向に一周する間に2波長を含むような周期成分(半日潮)を多く含み、それが高度方向に力を伝える(東西方向の運動量を高度方向に運ぶ)ことによって超回転の維持に働いているらしいこともわかりました(図4)。

図4:(左)熱潮汐波の南北風の水平構造。北向きを正、南向きを負とする。(右)熱潮汐波の東西風の水平構造。東向きを正、西向きを負とする。(Fukuya et al., 2021を改変)

雲頂で平均南北循環がほぼゼロであることから、ハドレー循環の極向きの流れは雲頂より上にあり、赤道向きに戻ってくる流れは雲頂より下の雲層内にあることがうかがわれます。硫酸の雲はこれまで主に赤道域で作られて極向きに運ばれていると考えられてきましたが、実は大部分は高緯度から赤道向きに運ばれているのかもしれません。このような循環パターンはまた、大気全体のエネルギーの循環や超回転を維持する流体力学に大きく影響します。

こうしてハドレー循環や熱潮汐波の構造がわかったことで、数値シミュレーションによる金星大気物理の研究は今後、これらの結果の再現を目指すことになります。また、金星の風や雲頂温度の分布を昼夜関係なく観測できるようになったことは、さまざまな大気現象の時間変化を追跡することを可能にし、金星気象学に新たな手法をもたらしました。今回明らかにしたような雲層の日射加熱への大気力学の応答は、系外惑星の大気においても超回転を引き起こすなど重要な役割を果たすと予想されており、太陽系の気象学と系外惑星の科学の連携による解明が望まれます。

発表雑誌
雑誌名
Nature論文タイトル
The nightside cloud-top circulation of the atmosphere of Venus

著者
Kiichi Fukuya*, Takeshi Imamura*, Makoto Taguchi, Tetsuya Fukuhara, Toru Kouyama, Takeshi Horinouchi, Javier Peralta, Masahiko Futaguchi, Takeru Yamada, Takao M. Sato, Atsushi Yamazaki, Shin-ya Murakami, Takehiko Satoh, Masahiro Takagi, Masato Nakamura

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