“金星の大気大循環”の謎を解明へ。理研と慶應大が新たな方程式を導入

理化学研究所(理研)と慶應義塾大学(慶大)の両者は、金星大気に初めて「Bred Vectorエネルギー方程式」(BV方程式)による解析手法を適用し、新たな運動メカニズムを発見したと、2月20日に共同発表した。
同成果は、理研 計算科学研究センター データ同化研究チームの三好建正チームリーダー(開拓研究本部 三好予測科学研究室 主任研究員兼任)、同・リャン・ジェンユウ特別研究員、慶大 法学部 物理学教室の杉本憲彦教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国地球物理学連合が刊行する地球科学全般を扱う学術誌「Geophysical Research Letters」に掲載された。
金星は自転周期が地球とは逆回転で、地球の約243日と長いため、太陽が一度南中してから再び南中するまでの時間である1太陽日が非常に長い。加えて、上空の大気は自転を大きく上回る秒速100mの「スーパーローテーション」と呼ばれる高速運動をしている。金星は分厚い硫酸の雲におおわれているため、望遠鏡や探査機からの観測は困難で、地表は温度460度・90気圧という環境のため、着陸機による観測はさらに難しい。そのため、金星大気に関する研究は、数値シミュレーションがきわめて重要になるという。
そうした中、宇宙航空研究開発機構(JAXA)が運用中の金星探査機「あかつき」の観測データと連携して成果を上げているのが、日本で開発された金星大気大循環の数値シミュレーション用プログラム「AFES-Venus」。しかし、金星での大気大循環やそれを定量化する方法についてはまだ不明な点も多く、金星の大気で太陽からのエネルギーが、どのように星全体に輸送・変換されているのかは未解明となっている。そこで研究チームは今回、金星での大気大循環の解明に挑むことにした。
今回の研究では、AFES-Venusによる2種類の金星大気大循環の数値シミュレーションが実施された。そして、その差を使ったBred Vectorを用いて、金星大気中でのエネルギー変換を解析する新たなBV方程式が導かれた。同方程式を用いると、位置エネルギーから運動エネルギーへの変換メカニズムとその変換効率を解明できる。加えて、従来の地球の気象学で行われてきた、経度方向の平均とそこからのズレを用いることなく、緯度帯だけでなく経度方向にもエネルギー変換を調べられる。
これまで金星大気では、スーパーローテーションの影響が大きいため、「順圧変換」が主要と考えられてきた。しかし、BV方程式を用いて数値シミュレーションを実施した結果、金星大気の雲層の中高緯度では、位置エネルギーから運動エネルギーの変換をもたらす「傾圧変換」が大きく働いていることがわかり、傾圧変換の重要性を初めて定量的に示すことに成功したという。
さらに、太陽直下点を経度180度の位置に固定した座標系では、太陽と共に移動する「熱潮汐波」の構造に起因して、経度0〜180度までの午前側で南北の温度差が大きくなり、傾圧変換が強化されることが突き止められた。AFES-Venusは過去に観測された金星大気の多様な現象を再現している点から、今回判明したエネルギー変換が実際の金星を模擬している可能性が高いと考えられるとしている。
金星大気の雲層の中高緯度の傾圧変換は、地球の温帯低気圧が発達するメカニズムと同様のエネルギー変換であり、上記の金星大気特有の傾圧変換の強化メカニズムは地球の温帯低気圧の発達のしやすさと共通点があるため、今回の解析手法によって地球と金星の双方の大気循環の理解が進むことが期待されるという。
今回の研究では、金星大気中でのエネルギー変換を解析するBV方程式を導き、AFES-Venusによるシミュレーションに初めて適用して解析が行われた。同方程式は、金星大気大循環において経度方向へのエネルギー変換を定量的に調べることができる初めての方程式となる。
この研究成果は、今回開発された手法が他のさまざまな惑星の大気大循環の解析に適用できる可能性を示唆しているとする。今回の手法を用いることで、惑星大気の運動メカニズムの解明と、地球との比較についての研究の進展への大きな寄与が期待されるとした。
研究チームは今後「あかつき」の紫外線画像を使うことで、今回の研究で注目された雲層上端の高度70km付近を観測できることから、前出の傾圧変換の重要性が観測によって実証されていくことが期待されるという。
また、「あかつき」の中間赤外画像を使うと、太陽光が当たらない夜側を含めた温度を観測できる。これらの観測データを調べ、データ同化を実施することにより、より現実の金星大気中のエネルギー変換が解明され、今後ますます金星大気の謎の解明が進むことが期待されるとしている。