金星大気のスーパーローテーションの維持メカニズムについての概念図

(c) Planet-C Project Team

北海道大學?JAXA宇宙科學研究所などの研究者からなる國際研究グループは、金星探査機「あかつき」によって取得された観測データに基づき、長年謎だった金星大気の高速回転(スーパーローテーション)がどのように維持されているのかを明らかにしました。

金星の分厚い大気は、自転の60倍ほどにも達する速さで回転していることが知られています。これをスーパーローテーションと呼んでいます。スーパーローテーションは、何らかの加速機構がなければ維持できないことが知られていますが、それがどのような機構であるかは、わかっていませんでした。

今回、「あかつき」で得られた畫像と溫度データの詳細な分析より、この加速機構を擔うのが、「熱潮汐波」であることが明らかになりました。
地球の潮の満ち干に関わる海の潮汐波は、月の引力によって生み出されますが、大気中には晝間熱せられて夜冷卻されることによる潮汐波が地球にも金星にも存在し、熱潮汐波と呼ばれています。
金星では、この熱潮汐波が、低緯度で大気の加速を擔うことが重要であることが明らかになったのです。
これまで、大気中に存在する潮汐波以外の波や亂れ(亂流)も加速を擔う候補として考えられてきましたが、むしろその逆に働いていることも明らかになりました。なお、それらは赤道を離れた中緯度において重要な役割を果たしていると考えられます。
これらの組み合わせにより、子午面循環によるゆっくりとした極向きの熱輸送と、スーパーローテーションによる速い夜側への熱輸送が両立するシステムが形成されて、太陽からの熱が効率的に分配されます。この研究により、「あかつき」計畫の當初からの大きな目標が実現しました。

「あかつき」が撮影した金星の畫像。UVIとIR1の観測データを使い擬似カラー加工してある。クレジットは、Planet-C Project Team

(c) Planet-C Project Team

背景?

金星は自転周期が地球時間で243日と、非常にゆっくり自転しています。地球と違って自転の向きは公転(周期は地球時間で225日)と逆で、一日の長さは117日です。このように、金星の自転は、地球に比べれば「ほぼない」とも言えるようなゆっくりとしたものですが、その大気は自転の向きに(つまり西向きに)、それをはるかに上回る速さで回転しています。この現象は、スーパーローテーションと呼ばれています(「スーパー」には「上回る」との意味があり、それが語源です。金星の場合その度合いが著しいので、良く使われる意味での「スーパー」なローテーション(回転)だとも言えます)。その速さは高度とともに増大し、高度約50~70kmに存在する雲層の上端付近で最大化します。そこでは、大気が惑星を一周するのがわずか4日程度と、自転の60倍ほどの速さに達します。

この現象はどのようにして生じうるか、そしてそれがいかにして維持されているのかは、1960年代の発見以來、地球?惑星科學者の興味を集めてきました。金星の一日は長いため、もしも大気がなければ、月のように晝と夜の溫度差が大きくなります。スーパーローテーションは、晝から夜に熱を効率的に運ぶ運動形態のひとつだと言えます。
金星大気のスーパーローテーションのメカニズムは、1970年代よりいくつかの説が提案されてきました。「あかつき」以前にも「パイオニア?ビーナス?オービター」(1978-1992)、「ビーナス?エクスプレス」(2006-2014)という二機の「金星の人工衛星」によって金星大気の長期観測が行われました。しかし、スーパーローテーションに関する仮説を確かめる観測を行うことはできませんでした。そのため、スーパーローテーションのメカニズムは、今日まで未解決の問題として殘されていました。「あかつき」計畫は、謎の多い「金星の気象」を幅広く解明することを目指しています。中でも、スーパーローテーションがいかにして維持されるかを解明することは、最大の目標でした。

「あかつき」が撮影した金星。UVIとIR1の畫像データから擬似カラー加工している。

(c) Planet-C Project Team

研究手法

「あかつき」は、紫外線や赤外線の複數の波長で、金星の雲の寫真をとり続けています。堀之內 武氏(北海道大學)が率いる研究グループが本研究で主に用いたのは、紫外線カメラUVIによる畫像です。

「あかつき」は、最初の軌道投入の失敗のあと、5年以上も太陽に近い過酷な環境を漂っていました。そのため観測機器の劣化が心配されていましたが、金星周回軌道投入後に観測が始まると、非常に高品質のデータを取得でき、ブレークスルーへの期待が高まりました。実際、新たな現象がいくつも見つかっています。

しかしながら、スーパーローテーションのメカニズムの観測的研究は、要求精度が高く、これまで世界の誰もできなかったものです。この研究は一歩ずつ、慎重に進める必要がありました。

研究グループは、観測で得られる畫像に寫る雲を追跡する、高精度で信頼性の高い手法を新たに開発して、風速を求めました。研究の成功に特に重要だったのは、得られた結果から動的に誤差を推定する手法を開発したことでした。
新たな手法と新たな評価法によって、従來は不可能だった風速の微細構造が明らかにできるようになり、スーパーローテーションに対する大気の波や亂流の効果を見積もることもできるようになったのです。グループではさらに、赤外線カメラLIRで計測した溫度も使用し、多角的な研究を展開しました。

金星のスーパーローテーションの西向き風は、高さとともに強くなり、雲層の上端付近で最も強くなります。それを水平にみると全球に広がりますが、角運動量の観點から考えると赤道付近で最も風が強いと言えます。
金星は自転軸がほぼ正立しているため季節はありません。そのため太陽光による加熱は赤道付近で最大で極で最も小さくなります。
しかし、金星では極域はさほど冷たくなっていません。それは、大気によって南北に熱が運ばれる循環があることを意味します(低緯度で上昇して極域に向かい、高緯度で下降して赤道に向かう:參考 図の白い矢印)。

ところが、そのような循環があると、角運動量も運ばれるため、何か別に角運動量を「戻す」メカニズムがないと、観測されているような流れは維持できません。特に、低緯度の雲頂付近の「最も強い流れ」(角運動量の最大値)が何によって実現、維持されるかが、理解の鍵になります。

研究グループはその點を中心に、「あかつき」のデータに基づき、さらに過去の研究を総合する様々な補助的な分析を行うなど、総合的に研究を行いました。
それにより、スーパーローテーションという回転にともなう「角運動量」(注)を変化させる要因を定量的に評価することができました。観測には限度があり、不確定要素は殘りますが、研究グループでは基本的なところは揺るがないと考えています。

金星大気のスーパーローテーションの維持メカニズムについての概念図

金星大気のスーパーローテーションの維持メカニズムについての概念図 (c) Planet-C Project Team

研究成果

研究グループによる詳細な分析の結果、低緯度の雲頂付近の「最も強い流れ」は、「熱潮汐波」によって作り出されていることがわかりました。

地球の潮の満ち干に関わる海の潮汐波は、月の引力によって生み出されますが、大気中には晝間熱せられて夜冷卻されることによる潮汐波が地球にも金星にも存在し、熱潮汐波と呼ばれています。金星ではそれが(角運動量を輸送し)加速を引き起こすのです。
これまで、大気中に存在する潮汐以外の波や亂れ(亂流)も加速を擔う候補として考えられてきましたが、むしろその逆に働いていることも明らかになりました。なお、それらは赤道を離れた中緯度において重要な役割を果たしていると考えられます。

本研究で研究グループは、「あかつき」の観測をもとに、スーパーローテーションがどのように維持されているか、その全體像を提示しました(図參照)。それは、熱潮汐波を媒介として、ゆっくりとした鉛直-南北の循環と高速な東西の循環を両立させることで、太陽からうけた熱を効率的に広く行きわたらせる精妙なシステムと言えます。

This illustration shows what the TRAPPIST-1 system might look like from a vantage point near planet TRAPPIST-1f (at right). Credit: NASA/JPL-Caltech

(c) NASA/JPL-Caltech

今後への期待

「あかつき」は今(2020年4月24日現在)も観測を続けています。これまでにとられたデータの分析も活発に続けられており、観測とシミュレーションの融合(データ同化)などの研究も進んでいます。

これらを通して、今後も金星大気に関する様々な発見がもたらされ、理解も進むと期待しています。また、地球においても、極端な溫暖期にはある程度のスーパーローテーションがあったかもしれないという示唆もあります。地球とは大きく異なる金星大気の研究から、地球型惑星における大気の循環に関するより広い理解が得られることが期待されます。

さらに本研究成果は太陽系外の惑星(系外惑星)の研究にも応用できる可能性があります。近年では3000天體以上の系外惑星が確認されており、世界中で、大気循環が系外惑星の表層環境に與える影響が研究されています。その中でも恒星の近くを回っている系外惑星の多くは、特定の半面を太陽に相當する恒星に向け続けていると考えられており、この狀態は、非常にゆっくりと自転している金星の狀態と似ています。そのため、今回明らかになった「ゆっくりとした鉛直-南北の循環と高速な東西の循環の両立により効率的に熱を行きわたらせるシステム」は、系外惑星においても成り立っている能性があります。

本研究成果は、系外惑星の大気循環やそれが表層環境に與える影響を探求することにも応用できると期待されます。


(注)「角運動量」はフィギュアスケーターが回転時に外に伸ばす腕や足の「長さ」と回転の「速さ」を掛け合わせたような量です。スケーターが腕や足を縮めると回転が速くなりますが、その際、角運動量は変化しないという性質があります(「長さ」と「速さ」を掛けたものが変わらないので、長さが減ると速さが増すというように説明ができます)。スーパーローテーションは、自転軸のまわりを回転する運動です。緯度によって「腕の長さ」、すなわち回転軸からの距離が異なるので、角運動量で整理して考えます。
補足:地球では中緯度に自転を追い越す向きのジェット気流がありますが、自転軸からの距離が赤道より短いことを考慮して計算すると、スーパーローテーションではないと判定されます。また、低緯度の風は貿易風で自転と逆向きです。

論文情報

論文名: How waves and turbulence maintain the super-rotation of Venus' atmosphere(金星大気のスーパーローテーションは波と亂流によってどのように維持されているか)

著者名: Takeshi Horinouchi1,2, Yoshi-Yuki Hayashi3, Shigeto Watanabe4, Manabu Yamada5, Atsushi Yamazaki2, Toru Kouyama6, Makoto Taguchi7, Tetsuya Fukuhara7, Masahiro Takagi8, Kazunori Ogohara9, Shin-ya Murakami2, Javier Peralta2, Sanjay S. Limaye10, Takeshi Imamura11, Masato Nakamura2,12, Takao M. Sato4, Takehiko Satoh2,12(1 北海道大學,2 JAXA宇宙科學研究所,3 神戸大學,4 北海道情報大學,5 千葉工業大學,6 産業技術総合研究所,7 立教大學,8 京都産業大學,9 滋賀県立大學,10 ウィスコンシン大學マディソン校,11 東京大學,12 総合研究大學院大學)

雑誌名:Science

DOI:10.1126/science.aaz4439