金星の夜間の大気循環を解明

プレスリリース
福谷 貴一(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/研究当時:地球惑星科学専攻 修士課程学生)
今村 剛(地球惑星科学専攻 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。
  • 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1)。
  • 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。

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。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。

金星の夜間の大気循環を解明
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)

用語解説

注1 金星
太陽系で地球より一つ内側を公転する、岩石の地表を持つ惑星(地球型惑星)。大きさと密度が地球に近い。太陽と月に次いで明るく見える星であり、そのため明けの明星、宵の明星とも呼ばれる。二酸化炭素を主成分とする濃い大気を持ち、その温室効果のために地表での気温は約460℃に達する。高度50〜70 kmには硫酸でできた雲が存在する。自転は非常に遅く、自転周期は243日と長いが、超回転(スーパーローテーション; 注2)と呼ばれる高速の東風のために大気は4日で金星を一周する。

注2 超回転(スーパーローテーション)
惑星の大気が赤道域を含む広い緯度範囲で惑星の自転を追い越す速さで循環する現象。金星ではこのような風が全ての緯度帯で見られ、風速は地表から高度とともに増加し、雲頂にあたる高度65 km付近で最大速度100 m/sに達する。地球で吹いている風とは大きく違っており、メカニズムはよくわかっていない。土星の衛星タイタンにも同様の風が見られるほか、系外惑星でも超回転の存在を示唆する観測結果が報告されている。

注3 ハドレー循環
惑星の赤道付近に多くの太陽光エネルギーが供給されるために、大気は赤道付近で暖かく、高緯度で冷たくなる。このような温度差を解消するように、大気は赤道域で上昇し、大気上層で高緯度に向かって流れ、高緯度で下降し、大気の低層で再び赤道域に戻ってくる。このような循環をハドレー循環と呼び、地球では赤道域から緯度30°付近までの範囲に存在する。金星でのハドレー循環は、太陽光によってよく加熱される雲頂付近と地表付近に存在すると予想されており、地球と違って赤道域から高緯度まで到達する可能性がある。東西風(金星では超回転)と重なって同時に生じており、一般に東西風に比べてはるかに遅い循環である。

注4 熱潮汐波
惑星の大気が太陽直下点付近で太陽光により加熱され、その加熱場所が惑星の自転や大気の循環のために大気から見て相対的に移動していくことにより、惑星規模の流体波動が発生する。この波動を熱潮汐波と呼び、金星以外にも地球や火星などで広く観察されている。熱潮汐波は東西方向に伝播するだけでなく高度方向にも伝播し、離れた高度間で運動量を運ぶことによって平均東西風の加速や減速をもたらす。いわゆる潮汐とは違い、月など他の天体の引力は関係しない。

注5 あかつき
JAXAの金星探査機。2010年5月に打ち上げられ、金星への航路の途中で推進系のトラブルのために予定より長い5年にわたって太陽を周回したのち、2015年12月に金星周回軌道に入った。金星周回軌道上から異なる波長で撮影を行う5台のカメラを用いて金星の気象衛星として大気の連続撮像観測を続けている。地球上のアンテナとの間の通信電波を利用した金星大気観測も実施している。プロジェクトのウェブサイト:https://akatsuki.isas.jaxa.jp/

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