金星大気観測のレビュー	  風速観測に関わる成果を中心に	

産業技術総合研究所 神山 徹	

観測成果に基づく	  スーパーローテーションの描像	
◇鉛直構造 (In-­‐situ	  Probe探査)	  	  ◇水平構造 (雲追跡・温度風)	  東西平均した構造	  	  ◇時間変動性	  	  ◆大気波動について	  熱潮汐波由来の風速構造について	  惑星規模波動について	  ベネラ計画	
4号機(着陸機付き)	

・初の惑星直接探査(1967)	  9号機	13・14号機	・1-­‐3号機(失敗)	  7号機	初の着陸後のデータ送信	  (23分間)	  (1970)	  初の地表面撮像 (1975)	

地表面撮像(カラー)	  地表面分析 (1981)	

Pioneer	  Venus	  1号機・2号機	
1号機：1978-­‐1992年 観測実施	
2号機：複数の降下機編隊観測	  多点直接観測の実施 (1978)	

光学観測	  ・紫外	  ・近赤外	  ・熱赤外	

レーダー高度測定	

Landing	  sites	

PV	PV	PV	PV	東西風速	南北風速(赤道向きを正)	

[Schubert, 1980]
高度共に単調増加	  50-­‐55kmに赤道向き南北風の層がある？	  
雲頂高度での雲追跡結果と合わせて	  雲層ハドレーセルを想像 (マルチセル)	

東西/南北風速分布	

[Schubert, 1980]

角運動量換算	東西 vs	  南北風速分布	

Height	  (km)	

60	0	-­‐100	Wind	  Velocity	  (m	  s-­‐1)	

0	

[Schubert, 1980, from Moissl PhD Thesis]

もう少し上層高度	65	  -­‐	  70	  kmで風速極大	  60	  -­‐	  65	  kmに風速シア
極大	  大気安定度	

[Schubert, 1980]

高度 (km)	

70	

雲層	  (加熱層)	

45	0	0	

東西風速 (m	  s-­‐1)	

100	

高度 (km)	

高度70kmでピーク	  70	

雲層	  (加熱層)	

45	

大気摩擦等での	  運動量拡散	0	0	

東西風速 (m	  s-­‐1)	

加速メカニズム?	
100	

リモートセンシングによる風速探査	
雲追跡	

温度風(旋衡風バランス)	
Walterscheid	  et	  al	  1985	

[Limaye	  and	  Suomi,	  1981]	

ドップラーシフト⇔風速	風速の導出手法	

小スケールの模様を強調してある	
Example :Template Size = 12°x 12°
Interval = 6°	  Orbit 489 (2007-08-22)
30

Incident Angle < 71°
Emission Angle < 71°( cos2(71°) ≃ 0.1)

Latitude [deg]0

ΔT ～ 1 [hour]-30-60-90
1816

1412108

6Local Time [hour]
Analysis :: Template Size = 6°x 6°, Interval = 3°

Mariner	  10	  ObservaQons	  (during	  8	  days	  of	  Venus	  encounter)	

[Murray	  et	  al.,	  1974]	

①	②	

③	

④	⑤	⑥	⑦	⑧	Y	  shape	  rotated	  with	  ~4.2	  day	  period	  (=	  ~106	  m/s)	
[Belton	  et	  al.,	  1979]	

Wind	  velociQes	  from	  cloud	  tracking	Number	  of	  vectors	

雲頂高度	

40	
[Limaye	  and	  Suomi,	  1981]	

100	160	

Zonal	  Wind	  Speed	  (m/s)	

Wind	  velociQes	  from	  cloud	  tracking	100	60	

Number	  of	  vectors	

140	
Bow-­‐like	  Wave	  93.5	  m/s	雲頂高度	

東西風速	  -­‐	  低・中緯度で~100	  m	  s-­‐1	0	[Limaye	  and	  Suomi,	  1981]	

40	

100	160	

Zonal	  Wind	  Speed	  (m/s)	

Wind	  velociQes	  from	  cloud	  tracking	雲頂高度	
Zonal	  mean	  zonal	  wind	  speed	 Y	  shape	  (planetary)	
Bow-­‐like	  

100	

60	

Number	  of	  vectors	

140	

Wave	  93.5	  m/s	雲頂高度	Bow	  like	

南北風速	  -­‐	  両半球で極向きの流れ	
0	[Limaye	  and	  Suomi,	  1981]	

40	

100	

160	

Zonal	  Wind	  Speed	  (m/s)	

雲頂高度	
1980	
1982	

Pioneer	  Venus	  Orbiter	  /	  OCPP	  1980	

1982	

[Limaye,	  2007]	

Venus	  Express	  /	  Venus	  Monitoring	  Camera	  北極	

2006/5/20	

南極	

極軌道衛星	  1周回24時間	

観測波長	  :	  365	  nm (昼面観測のみ)	  	  -­‐	  雲高度	  :	  雲頂高度	  (~	  70	  km)	  [Kawabata	  et	  al	  1980]	  	  -­‐	  撮像領域が広い観測は南半球に限られる	  	  20	
データ期間:	  2006年4月～2010年4月	  雲頂高度	
1980	
1982	

Pioneer	  Venus	  Orbiter	  /	  OCPP	  1980	

1982	

[Limaye,	  2007]	

Galileo	  /	  Solid	  State	  Imaging	  system	  (SSI)	  雲頂高度	

雲頂	

昼面東西風速	50-­‐60	  km	50-­‐60	  km	

雲頂	

南北風速	

[Belton	  et	  al,	  1990]	

Venus	  Express/VIRTIS	

Hueso,	  et	  al.,	  2016	  Averaging	  VIRTIS	  6-­‐years	  observaQon	

赤道	

緯度(南半球のみ)	

可視・近赤	
可視・近赤	  55-­‐60	  km	紫外	紫外	  65-­‐70km	
南極	-­‐100	

東西風速	

極向き	

0	 -­‐20	0	

南北風速	

20	

Venus	  Express/VMC	
紫外	  
65-­‐70km	

風速極大期	
6年平均	風速極小期	

平均構造のまとめ	
Zonal	  wind	  (m	  s-­‐1)	

高度 (km)	

70	

ジェットがあったりなかったり	  LaQtude	  (degree)	

Zonal	  wind	  (m	  s-­‐1)	

45	0	0	

赤道～中緯度で	  100	  ms-­‐1	  東西風速 (m	  s-­‐1)	

100	

平坦な風速分布	  ジェット構造が深くはないことを示唆?	  

LaQtude	  (degree)	

平均構造のまとめ	
Meridonal	  wind	  (m	  s-­‐1)	

高度 (km)	

70	0	

Meridional	  wind	  (m	  s-­‐1)	

LaQtude	  (degree)	

45	0	0	赤道対称に	  両半球で極向き	  <昼面のみの結果から>	  東西風速 (m	  s-­‐1)	

100	

顕著な南北風成分が	  存在しない	  (平均した結果)	  0	LaQtude	  (degree)	

旋衡風バランスについて	

温度場の観測 (電波掩蔽・分光観測)	  → 風速場	1982	  Oct,	  1983	  Jul-­‐Aug	

Walterscheid	  et	  al	  1985	
コリオリ力が無視できるほど小さい金星では	  遠心力が気圧傾度力(∝南北温度勾配)に釣り合う、と仮定できる	

旋衡風バランスについて	
シミュレーション結果から	
温度場 (K)	

(aher	  Ando	  et	  al.,	  2016)	

東西風速 (m	  s-­‐1)	

旋衡風バランスについて	
1982	  Oct,	  1983	  Jul-­‐Aug	

Walterscheid	  et	  al	  1985	
コリオリ力が無視できるほど小さい金星では	  遠心力が気圧傾度力(∝南北温度勾配)に釣り合う、と仮定できる	

1982	  Oct	  1983	  Jul-­‐Aug	1978	  Dec	PVO	  Radio	  OccultaQon	  旋衡風バランスを仮定	

○旋衡風バランスを仮定して得られる	  風速分布には中緯度帯ジェットが	  明確に確認された。	  
○ただしジェットの強さ・位置は	  時期によって異なる。	  
ハドレー循環によりジェット位置が	  流された？[Walterscheid	  et	  al	  1985]	  	  雲追跡での分布との不一致性の理由は	  よくわかっていない	  -­‐	  高緯度での雲追跡妥当性？	  
-­‐	  追跡できる雲の高度が	  緯度によって異なる？	  
-­‐	  旋衡風バランスの妥当性？	  

高度70kmでの緯度断面	  Walterscheid	  et	  al	  1985	
30	

平均構造のまとめ	
Zonal	  wind	  (m	  s-­‐1)	

高度 (km)	

70	

ジェットが強かったり弱かったり	  LaQtude	  (degree)	

Zonal	  wind	  (m	  s-­‐1)	

45	0	0	

赤道～中緯度で	  120	  ms-­‐1	  東西風速 (m	  s-­‐1)	

100	

平坦な分布は	  ジェット構造が	  深くないことを反映	  LaQtude	  (degree)	

Venus	  Express前	

Taylor,	  Venus	  before	  Venus	  Express,	  2006	

スーパーローテーションの時間変動性	
Zonal	  wind	  speed	  (m	  s-­‐1)	

120	

Pioneer	  Venus	  /	  OCPP	  	  雲追跡から求めた東西風速の時間変化	  [Del	  Genio	  et	  al.,	  1990]	  110	10	  m/s程度の風速変動	

100	90	80	
1979	80	
81	 82	 83	84	 85	

Year	33	スーパーローテーションの時間変動性	
Venus	  Express/VMC	  Khatuntsev,	  et	  al.,	  2013	

6年間で80ms-­‐1から110ms-­‐1まで東西風が加速されたように見える	  (観測がとぎれとぎれなのはVenus	  Expressの軌道による)	

スーパーローテーションの時間変動性	
Venus	  Express/VMC	  ～260日周期の	  周期的変動に見える変化を報告	  [Kouyama	  et	  al.,	  2013]	  	  ただし一過性のものだった？	

異なる高度での風速変動性の違い	
雲頂高度 (70	  km)	
顕著な風速変動	  振幅：11	  m	  s-­‐1	  周期：255日	

雲低高度での東西風速変動	
[Hueso	  et	  al.,	  2011]	

雲底高度 (45	  km)	
変化に乏しい [Hueso	  et	  al.,	  2011]	  300日間の観測を通して	  ほぼ一定の風速値	

雲頂高度での風速変動は	  雲層全体を貫くものではない？	  

36	スーパーローテーションの時間変動性	
スーパーローテーションは	  いつも安定して100m	  s-­‐1の	  風速になっているわけではない	○100日単位で20	  m	  s-­‐1	  ○数年単位で30	  m	  s-­‐1	  動的な	  運動量交換を反映	

あかつきの観測へ期待：	  ◇今のスーパーローテーション強度	  ◇連続した風速観測による変化の調査	  	  → スーパーローテーション維持に関わるメカニズム	  風速観測で見られる波動構造について	
あかつきHPより	○波動に着目する理由	  波動の伝搬に伴って運動量が運ばれ、大気の加速・減速が	  生じるため → スーパーローテーション維持メカニズムの候補	  	  ①熱潮汐波	  ②しばしば観測されるKelvin波・Rossby波	  熱潮汐波について	

高木ほか	  京産大HPより	

熱潮汐波に由来する風速構造	
[Newman	  et	  al.,	  1990]	

モデル	

観測	  
LTに着目して	  データを平均	
Pioneer	  Venusの観測結果から	
東西風速	

南北風速	

Galileo	  (Kouyama	  et	  al.,	  2012)	
東西風速	

南北風速	

Venus	  Express(aher	  Moissl	  et	  al.,	  2009)	

LaQtude	  (degree)	

120	

60	

<ポイント>	  ・PVO	  -­‐>	  VExまで30年以上にわたって	  存在 → 安定した現象	  	  ・東西風速・南北風速に	  特徴的な構造を作る	  40	20	0	16	12	8	Local	  Solar	  Time	  (hour)	

40	

東西風速	

Takagi	  and	  Matsuda,	  2005	
南北風速	

○熱潮汐波は全球(昼・夜)に広がる構造を持つ。	  
熱潮汐構造の全貌を観測的に知るためには	  広いローカルタイム帯での風速推定(温度推定)がカギ	  	  ○昼面のみの観測では潮汐構造と子午面循環を区別できない。	  
雲頂高度での子午面循環強度をできるだけ	  
正しく見積もるには、昼面・夜面両方の風速分布を得て	  熱潮汐成分を取り除く必要がある	  ◎UVI,	  LIR,	  IR1,	  IR2の連携による昼夜観測に期待	温度場からも	Subaru/COMICS	  8	  um観測から	  [Sato,	  et	  al.,	  2014]	

惑星規模波動について	Kelvin波とRossby波	Yamamoto	  and	  Tanaka,	  1997	

モデル(線形モデル計算から)	  Imamura,	  2006	惑星規模波動について	Kelvin波とRossby波	

Kouyama	  et	  al.,	  2015	

UV	  images	  from	  Pioneer	  Venus	  observaQons	  (OCPP)	
1979	  Feb.	  11	  -­‐	  20	[aher	  Rossow	  et	  al.,	  1980]	

Periodicity	  of	  cloud	  brightness	  variaQons	

LaQtude	  (degree)	

60	

1979	  Spring	40	
20	0	[Del	  Genio	  &	  Rossow,	  1982]	

45˚	

RelaQve	  brightness	

[Del	  Genio	  &	  Rossow,	  1990]	

Equator	
6	-­‐20	Days	  of	  year	  (1979)	 74	-­‐40	-­‐60	

10	 5 43	 2.5	Period	  (days)	
Contours	  =	  signiﬁcant	  levels	  75,	  85%(dashed),	  95,	  99,	  99.9%(solid)	

4-­‐day	  and	  5	  day	  perturbaQons	  were	  detected.	
47	

Periodicity	  of	  cloud	  brightness	  variaQons	
[Del	  Genio	  &	  Rossow,	  1990]	

LaQtude	  (degree)	

60	

1980	  Spring	

40	Diﬀerent	  periods	  appeared	  in	  diﬀerent	  observaQon	  periods!	

20	0	

-­‐20	-­‐40	-­‐60	

10	 5 43	
2.5	Period	  (days)	
Contours	  =	  signiﬁcant	  levels	  75,	  85%(dashed),	  95,	  99,	  99.9%(solid)	

48	

Periodicity	  of	  cloud	  brightness	  variaQons	
[Del	  Genio	  &	  Rossow,	  1990]	

LaQtude	  (degree)	

60	

1982	  Spring	40	

Diﬀerent	  periods	  appeared	  in	  diﬀerent	  observaQon	  periods!	

20	0	

-­‐20	-­‐40	-­‐60	

10	 5 43	2.5	

Period	  (days)	
Contours	  =	  signiﬁcant	  levels	  75,	  85%(dashed),	  95,	  99,	  99.9%(solid)	

Planetary	  brightness	  variaQon	  has	  at	  least	  two	  typical	  periods,	  and	  they	  seldom	  existed	  at	  the	  same	  Qme.	  	  4-­‐day	  variaQon	  <=	  Kelvin	  wave	  5-­‐day	  variaQon	  <=	  Rossby	  wave	
49	

From	  Venus	  Express	  ObservaQon…	

Titov	  et	  al.,	  2012	Waves	  in	  wind	  ﬁelds	

[Kouyama	  et	  al.,	  2013]	

Waves	  in	  wind	  ﬁelds	

Signiﬁcance	 0	  %	

>99.9	  %	周期解析の結果	

[Kouyama	  et	  al.,	  2015]	

周期特性から擾乱構造を復元すると・・	4日波	  (東西風成分のみ)	

5日波	

[Kouyama	  et	  al.,	  2015+PhD	  Thesis]	風速擾乱の波数1構造	
東西風速	  擾乱成分	

(日々の風速場 –	  潮汐成分)	
速い	

雲の明るさ	

遅い	

Belton	  et	  al.,	  1991に基づく規格化済み	

東西風速に赤道域を中心とした顕著な波数1構造 (南北風速には見られない)	  → Kelvin波由来の擾乱であることを示唆	  54	
雲の明暗模様に東西風速擾乱との対応関係： 速 → 暗 遅 → 明	  

惑星規模波動について	大気の加減速をもたらしうることから	  スーパーローテーションの維持・変化を考える上で	  重要かもしれない	  	  これまでの観測から：	  ・Kelvin波とRossby波	  ・時期によって卓越する種別が異なる	  ・雲模様と関連性がある -­‐>	  Y字？	  	  分かっていない：	  ・波の励起高度 –	  励起高度によっては加減速の向きが変わる	  ・波の励起源 (Rossby波は傾圧不安定？)	  観測成果に基づく	  スーパーローテーションの描像	

まとめ	◇鉛直構造 (In-­‐situ	  Probe探査)	  	  ◇水平構造 (雲追跡・温度風)	  東西平均した構造	  	  ◇時間変動性	  	  ◆大気波動について	  熱潮汐波由来の風速構造について	  惑星規模波動について	  プレスリリース資料から	

金星の科学観測の始まり	

ガリレオの金星スケッチ	
金星の満ち欠け＝地動説の論拠に