236

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 3, 2023

一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その55
〜GCMで再現された金星大 気中の波と赤道ジェットの準周期的変動〜
高木 征弘1，安藤 紘基1，今井 正尭 2，杉本 憲彦 3，松田 佳久4（要旨） 金 星大気中の波を大気大 循環モデル (G CM ) によって再現し，大気スーパーローテーション( S R ) の時間変 動との関係を調べました．雲頂付近 ( 高度約 70 k m) で観測される4日波・5日波はロスビー・ケルビン ( R K ) 不安定によって励起され，赤道ケルビン波と中高緯度ロスビー波が臨界緯度で結合した構造をもちます．どちらも角運動量を赤道向きに輸送し低緯度のS R (赤道ジェット) を強化します．5日波 (G CM中では5. 8日波 ) の作る下部雲層の赤道ジェットが発達すると，赤道反対称な構造をもつ7日波が現れ，角運動量を赤道域から中緯度に輸送することで赤道ジェットを解消します．5日波と7日波が交互に成長・減衰を繰り返すことにより，280日程度の時間スケールをもつ赤道ジェットの準周期的な変動が生じます．これらの結果はあかつき観測とも整合的です．

1. はじめにする上で非常に重要です．本稿では大気大循環モデル (G CM ) で再現された4日波・5日波などの構造や地球大気にはロスビー波やケルビン波，傾圧不安成因と，波によって引き起こされるS R ( 下部雲層の定波などのさまざまな波が存在し，大気大循環に大赤道ジェット) の時間変動に関する最近の結果 [2, 3]

きく影 響しています．金 星大 気にも熱 潮汐 波や4日をご紹介します．

波・5日波といったさまざまな惑 星 規 模の波が 存 在し，スーパーローテーション ( S R ) をはじめとする金星の大気大 循環の形成に重要な役割を担っている

2. 金星大気の波と考えられています．しかしながら，大気運 動の観

金 星は高度 約48–70 k mに存 在する濃 硫 酸エア測が難しいことから，その空間構造や成因，角運動ロゾルの雲で完全に覆われており，雲頂 ( 高度約 70量や熱の輸送などはほとんどわかっていませんでしk m) 以下を観 測することが 困難です．しかしながた．あかつき赤外カメラ ( I R 2) によって発見された

ら，紫外線で観測される雲模様の時間変化から，雲下部雲層 ( 高度約48– 55 k m) の赤道ジェット ( S R

頂付近には太陽加熱によって励起される熱潮汐波のの回転角速度が赤道域で極大をもつ現象) とその時ほか，周期4日と5日の波 (4日波と5日波) が存在する

間変動 [ 1] には，波による角運動量輸送が本質的でことが1980年代から知られていました [4]．4日波 ( 5あると予想されています．金星大気の波を調べるこ日波 ) は低緯度 (中緯度 ) にシグナルをもち，背景のとは，その気象を理解し S Rの維持メカニズムを解明

平均東西風よりも速い (遅い) 位相速度を持つことから，ケルビン波 (ロスビー波) と言われています．こ1.京都産業大学 理学部
2.東京大学 大学院理学系研究科 天文学教育研究センター
3.慶應義塾大学 法学部 日吉物理学教室，自然科学研究教育センター
4.東京学芸大学 自然科学系
takagi.masahiro@cc.kyoto -su.ac.jp

れらの波の構造は長らくわかっていませんでしたが，Venus Ex pres sやあかつきの観測結果から，5日波
は中緯度に中心をもつ赤道対称な東西波数 1の渦であることが明らかになってきました [ 5 -7]．あかつき

一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その55 〜GCMで再現された金星大気中の波と赤道ジェットの準周期的変動~／高木，他

237てはすでに何度かこの連載でも紹介されていますので，適宜ご参照ください．

4. GCMの解析結果
4.1

東西平均場

図1に準定常状 態で得られた平均東西風の緯度高度分布を示します．現実的な強度の S R が維持され，雲頂付近 ( 高度約70 km) には弱い中緯度ジェットが存在しています．S Rの回転周期 (空気が金星を図1：準定常状態で得られた平均東西風の緯度-高度分布．風速を黒線，回転周期 (空気が金星を東西一周する周期，単位は日) を青線，風速の時間変動の大きさ (標準偏差，単位はm/s) をカラーシェードで示す．

東西一周する時間 ) はほとんどの領域で緯度ととも

中間赤外カメラ ( L I R ) の観測によると，雲層中 ( 高しています．ただし，高度40– 52 k mには明瞭な赤道度 65 k m付近) には周期3. 6，5. 0，5.4，6.1日の波もジェットが形成されており，この高度域では回転周期存在しているようです [8]．また，金星夜面の赤外線は中緯度 (30˚付近) で極大を持ちます．赤道ジェット観測や雲物理G CMの結果からは，低緯度の下部雲の上部 (47– 55 k m) には平均東西風の時間変動の層で雲の光学的厚さが周期的に変化しており，下層極大がみられ，4. 6節で示すように，あかつきI R 2の雲が 東西波数 1のケルビン波的な構造の波によって観測によって発見された下部雲層の時間変動する赤強く影響されていることが示唆されています [ 9-14]．

道ジェットの存在 [ 1] と整合的です．

こうした数日の周期をもつ波は熱潮汐波や山岳波のように太陽加熱や地形によって直接励起されているに単調減少し，高度 70 k m 付近では低緯度で4日，中緯度で3日，高緯度で2日程度です．つまり，角速度でみるとS Rは低緯度ほど遅く，高緯度ほど速く回転

4. 2波の周期解析

わけではなく，地球の傾圧不安定波のように力学的東西風と南北風の周期解析の結果，G CM中にはな不安定によって自発的に作られるものと考えられ

周期3. 3，5. 8，4. 8，7，1.7– 3. 6日といったさまざまなます．

周期の波が 存在していることがわかりました．観測3. 数値モデル

された S RとG CM で再 現された S Rとの 速 度 差 や，波の臨界高度や臨界緯度 ( 波の位相速度と平均東西風の風速が一致する高度や緯度 ) の位置などを考波の 再 現 実 験には 地 球 G CMとして開 発された

慮すると，3. 3日波と5. 8日波は雲頂で観測されていA F E S [ 15,16] を金星用に改変したA F E S -Venus

る4日波と5日波に対応すると考えられます．7日波は[ 17] を用いました．放 射過程をニュートン冷却で近赤道に対して反対称な水平風速分布をもち，下部雲似するなどした非常に簡 略 化された G CMですが，層の赤道ジェットの時間変 動に関係していることが雲層中の温 度分布や熱潮汐波の再現性を向上させわかりました．紙幅の都合上，以下では3. 3日，5. 8る改良が 加えられています [ 18]．A F E S -Venusで日，7日波の構造を示し，5. 8日波と7日波によって引は金星の自転方向を地球と同じ東向きとしています．

き起こされる赤道ジェットの時間変動について説明したがって，モデルで再現されるS Rも東向きである

します．

ことにご 注 意ください．理 想化した S R 状 態を初 期値とし，51地球年ほど数値積分して準定常状態を求

4.3

3.3日波

め，最後の585日のデータを用いて波を解 析しまし帯域フィルタとコンポジット解析によって得られた

た．A F E S -Venusの詳細やこれまでの成果につい3. 3日波 (雲頂で観測される4日波に対応) の高度 70

238

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 3, 2023

図2：(a) 高度70 kmにおける3.3日波の水平構造．水平風をベクトル，高度場偏差をカラーシェード (単位は m) で示す．緑線は臨界緯度．(b) 3.3日波に伴うEP flux (ベクトル) と平均東西風の加速率 (カラーシェード，単位は m/s/day)．緑線は臨界緯度・高度．

図3：5.8日波の高度 (a) 30 km，(b) 52 km，(c) 60 km，(d) 70 kmにおける水平構造．水平風をベクトル，高度場偏差をカラーシェード (単位は m) で示す．
緑線は臨界緯度．

一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その55 〜GCMで再現された金星大気中の波と赤道ジェットの準周期的変動~／高木，他

239

図4：5.8日波の緯度-高度構造．(a) 東西平均した水平風の運動エネルギー密度 (カラーシェード，単位はkg/m/s2)，高度場偏差の振幅 (黒線，単位はm)，
平均東西風の風速 (灰色線，単位はm/s)．紫のハッチは渦位の南北勾配が負の領域を示す．(b) EP flux (ベクトル) と平均東西風の加速率 (カラーシェード，単位は m/s/day)．緑線は臨界緯度・高度，青線は352 K (上) と341 K (下) の等温位面．

k mでの構造を図2aに示します．3. 3日波の東西波数ラックスと逆向きであることに注意)．この結果は3. 3は1で，緯度方向には臨界緯度 (約25˚ ) の低緯度側

日波が S Rの子 午面循環メカニズムに寄 与する可能と高緯度側に振幅を持ちます．臨界緯度より低緯度性を示しています．

側では，高度場偏差と位相の揃った東西風が卓越し南北風が弱いこと，波の位相速度が平均東西風

4.4

5.8日波よりも速いことなどから，低緯度の構造は赤道ケル

図3，4に5. 8日波 ( 雲頂で観測される5日波に対ビン波であると考えられます．一方，臨界緯度より高応 ) の構造を示します．5. 8日波も東西波数 1の構造

緯度側では，地衡風的な中緯度渦が卓越しているこを持ちますが，臨界高度が低緯度で持ち上がり (図と，波の位相速度が平均東西風よりも遅いことなど

4b)，臨界高度より下に存在する赤道ケルビン波，上から，高緯度側の構造はロスビー波であると考えらに存在する中緯度ロスビー波および 高緯度ロスビーれます．臨界緯度を横切る水平風に注目すると，東波から全体が 構成されるため，水平構造が赤道対西風と南北風が負の相関をもち，角運動量を赤道側称性を保ったまま高度とともに大きく変化することがに輸送していることがわかります．これらの特徴はロ特徴です．高度 30– 40 k mでは赤道ケルビン波が卓スビー・ケルビン ( R K ) 不安定 [ 19] とよく一致してお越し (図3a)，高度40– 65 k mの臨界緯度より高緯度り，3. 3日波が赤道ケルビン波と中緯度ロスビー波の側には赤道対称な地衡風渦のペア ( 高緯度ロスビー結合が引き起こすR K 不安定によって励起されてい波 ) が 存在します ( 図3b)．臨界高度直下の高度 52ることを示しています．このような波のカップリング

k mでは赤道ケルビン波の南北スケールがかなり小が可能になっているのは，S Rの回転角速度が低緯さくなり ( 10˚ S –10˚ N )，臨界緯度より低緯度側 (緯度 ( 高緯度 ) で遅い (速い) ためです．

度 20˚– 35˚ ) に別の赤道対称な地衡風渦のペア (中図2b は3. 3日波 に伴うEl ia s sen - Pa l m ( E P ) フ

緯度ロスビー波 ) が現れます．高度47– 52 k mでは赤ラックスと，E Pフラックスの収束による平均東西風

道ケルビン波と高緯度・中緯度ロスビー波のあいだのの加速率です．E Pフラックスは赤道付近から臨界緯東西風と南北風が負の相関をもち，臨界緯度をはさ度を越えて中緯度に向かい，臨界緯度よりも低緯度んで角運動量を赤道向きに輸送します．臨界高度よ( 高緯度 ) 側で平均東西風を加速 (減速 ) します (熱り上に赤道ケルビン波は存在せず，中 ( 高) 緯度ロス輸送が無視できる場合，E Pフラックスは角運動量フビー波の南北スケールが高さとともに増大 (減少) し240

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 3, 2023

図5：(a) 高度48 kmにおける7日波の水平構造．水平風をベクトル，高度場偏差をカラーシェード (単位は m) で示す．緑線は臨界緯度．(b) 7日波に伴うEP flux (ベクトル) と平均東西風の加速率 (カラーシェード，単位は m/s/day)．赤線は355 K (上) と343 K (下) の等温位面，紫線は基本場の渦位の南北勾配が符号を変える位置を示す (紫線で囲まれた領域の中では渦位の南北勾配は負)．

ます (図3c)．雲頂付近の高度70 k mでは高緯度ロス

これまでの研究で指摘された東西波数 1の傾圧不ビー波が消失し，中緯度ロスビー波だけが卓越しま

安定波 [23] や下部雲層のストリーク構造を作るロスす (図3d，4a)．この構造は雲頂で観測される5日波

ビー波とケルビン波 [24]，下層雲に影響するケルビの赤道対称な中緯度渦 [ 5 -7] とよく似ています．平ン波的な波 [ 9-14] はいずれも5. 8日波として理解す

均東西風に相対的な位相速度も観測とG CMでほぼることができます．また，5. 8日波の著しい特徴であ一致していることから，雲頂の5日波は5. 8日波の中る惑星規模の赤道対称性は，雲頂で観測される雲緯度ロスビー波部分であると考えられます．

模様がほぼ赤道対称であること [25] や，雲頂温度

赤道ケルビン波の運動エネルギーは高度47 k mお
よび 52 k m 付近に極大を持ちます ( 図 4a)．これらの高度では，E Pフラックスが等温位面に沿うように臨界緯度を超えて低緯度から中高緯度に向かい，角の変化が 南北両極域で同期する現 象 [26] の物理的な解釈を与える可能性があります．

4.57日波

運動量が赤道ケルビン波と中緯度ロスビー波および

図 5aに7日波の水平構造 ( 高度48 k m) を示しま

高緯度ロスビー波のあいだで赤道向きに輸送されます．7日波も東西波数 1の波ですが，赤道反対称な南す ( 図 4b)．この結果から5. 8日波は赤道ケルビン波

北構造をしており，赤道上に南北風の極大が存在しと中・高緯度ロスビー波によるR K 不安定で励起されます．5. 8日波が作る赤道ジェットによって臨界高度ていることが示唆されます．5. 8日波の赤道向き角運が赤道域で10 k mほど沈んでいるために (図5b)，高動量輸送によって赤道域の平均東西風が加速され，度41– 51 k mには4つの臨 界 緯度 ( 10˚および 38˚ 付

赤道ケルビン波の存在する下部雲層に赤道ジェット近) が存在します．このため，7日波の位相速度は赤が作られます (4. 6節)．また，E Pフラックスが中高緯道域と中高緯度で平均東西風より遅く ( 西進)，亜熱度で鉛直上向きになっていることからわかるように，

帯域 ( 10˚– 38˚ ) で速く ( 東進) なっており，それぞれ5. 8日波の中・高緯度ロスビー波は顕著な極向き熱輸の緯度帯には西進赤道ロスビー波 ( 10˚ S –10˚ N )，東送を伴います．R K 不安定における熱輸送の役割は

進中緯度ロスビー波 ( 10˚– 38˚ )，西進高緯度ロスビー

浅水系に基づく従来の枠組み [ 19] では理解できな波 (38˚– 90˚ ) が存在しています (ただし，赤道域のいため，理論的に予測されている金星大気中の傾圧波は赤道ロスビー波ではなく，混合ロスビー重力波

不安定 [20 -22] との関係なども含め，今後詳しい研の可能 性があります )．これらの波の相互作用によ究が必要です．

り，低緯度側の臨界緯度付近では極向き，高緯度側

一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その55 〜GCMで再現された金星大気中の波と赤道ジェットの準周期的変動~／高木，他

241

図6：5.8日波 (緑) と7日波 (青) に伴う水平風の運動エネルギー (それぞれの最大値で正規化，左軸) と高度48–54 kmで平均した赤道上の平均東西風(マゼンタ，右軸) の時間変化．の臨界緯度付近では赤道向きの角運動量輸送が生[ 1]．変動の時間スケールは不明ですが，赤道ジェッじ (図5b)，平均東西風が赤道域と中高緯度で減速，トの強度は10 m /s 程度です．5. 8日波と7日波によっ亜熱帯域で加速されます．この結果は，7日波の成因て作られる赤道ジェットの時間変動はこの観測結果

が 5. 8日波によって作られた赤道ジェットを解消するを定性的・定量的に説明する可能性があります．しかために生じるシア不安定であることを示唆します．

しながら，I R 2 夜面観測は観測範囲が非常に限られ4.6波と赤道ジェットの時間変動ているため ( 東西方向に70˚ 程度 )，観測された東西風には東西平均成分だけでなく波や擾乱の成分 が

図 6に5. 8日波と7日の 運 動 エネルギ ーと下 部 雲含まれている可能性があります．特に，下部雲層に層 ( 高度48– 54 k m) で平均した赤道上の平均東西は5. 8日波の赤道ケルビン波 ( 東西風偏差の振幅7– 9風速の時間変化を示します．まず，5. 8日波の成長にm /s 程度 ) が存在しているため，平均東西風に赤道伴って角運動量が赤道域に輸送され，赤道ジェットケルビン波の東西風が重なることにより，見かけのが強まります ( 60–120日付近)．赤道ジェットがピー赤道ジェットが観測される可能 性もあることに注意

クに達すると7日波が成長を開始し ( 120日付近)，そが必要です．の成長とともに5. 8日波が減衰し，7日波の角運動量

あかつき紫外カメラ ( U V I ) の観測から，雲頂で輸送によって赤道ジェットが弱まります ( 120–230日観測される5日波は20日程 度で 増幅し50日程 度で付近)．赤道ジェットがもっとも弱まる時期には，低緯減衰することが指摘されています [ 7]．このような波度の平均東西風の緯度分布は剛体回転からむしろのライフサイクルの存在は，波と平均東西風 ( S R ) の等速分布 ( 角速度が赤道で極小) に近づきます．290

相互作用による基本場の時間変化と，そこで生じる日以降は7日波の減 衰とともに5. 8日波 が 成長を始不安定波の成長・減衰過程を反映したものかもしれめ，赤道ジェットが再度強化されます．以上のサイクません．

ルが繰り返されることにより，G CMの中では時間スケール280日程度の準周期的な赤道ジェットの時間変動が引き起こされています．

5. まとめあかつきI R 2の夜面観測によると，下部雲層の平Venus Ex pres sやあかつきによる近年の観測に均東西風には顕著な赤道ジェットが存在する時期とより多くの新しい観測事実がもたらされた結果，数剛体回転に近い時期があることが示唆されています

値モデルによる金星大気シミュレーションが進展し，

242

日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 3, 2023

4日波や5日波，下部雲層の赤道ジェットなどに関す[10] Crisp, D. et al., 1991, Science 253, 1538.

る理解が進展しつつあります．しかしながら，7日波[11] Peralta, J. et al., 2019, Geophys. Res. Lett. 46,に対応すると思われる波はこれまでのところ観測されていませんし，あかつきL I R が見いだした多数の波とG CM中の波の対応関係もまだ調べられていません．7日波は低緯度で強い鉛直流を伴わないため，下層雲の観測では検出しにくいのかもしれません．
謎につつまれた金星雲層中の波の3 次元構造を観測する新手法として，現在，複数の子衛星を用いた衛

2399.
[12] Ando, H. et al., 2021, J. Geophys. Res.: Planets
126, e2020JE006781.
[13] Ando, H. et al., 2022, J. Geophys. Res.: Planets
127, e2021JE006957.
[14] Karyu, H. et al., 2023, J. Geophys. Res.: Planets
128, e2022JE007595.

星間電波掩蔽観測 (CROVA) が検討されています[15] Ohfuchi, W. et al., 2004, J. Earth Simul. 1, 8.

[27]．新たな観測の実現により金星の大気循環の理[16] Enomoto, T. et al., 2008, Description of AFES2:解が進展するものと期待されます．
本 稿では金星大気の重要な波である熱潮汐波について触れることができませんでした．機会があれば熱潮汐波に関しても最近の進展をご紹介したいと思います．

謝辞

Improvements for high-resolution and coupledsimulations (New York: Springer).
[17] Sugimoto, N. et al., 2014, J. Geophys. Res.:Planets 119, 1950.
[18] Suzuki, A. et al., 2022, J. Geophys. Res.: Planets
127, e2022JE007243.
[19] Iga, S. and Matsuda, Y., 2005, J. Atmos. Sci. 62,2514.

本研究は地球シミュレータ公募課題「A F E Sを用[20] Young, R. E. et al., 1984, J. Atmos. Sci. 41, 2310.

いた金星・火星の高解像度大循環シミュレーション」[21] Takagi, M. and Matsuda, Y., 2005, Geophys.の一環として実施され，JS P S 科研費 J P19H 01971，
J P19H 05605，J P 23H 00150，J P 23H 01249の助成を受けたものです．

参考文献

Res. Lett. 32, L19804.
[22] Takagi, M. and Matsuda, Y., 2006, Geophys.
Res. Lett. 33, L13102.
[23] Sugimoto, N. et al., 2014, Geophys. Res. Lett.
41, 7461.
[24] Kashimura, H. et al., 2019, Nat. Commun. 10,[1] Horinouchi, T. et al., 2017, Nat. Geosci. 10, 646.
[2] Takagi, M. et al., 2022, J. Geophys. Res.: Planets 127, e2021JE007164.
[3] Takagi, M. et al., in revision, J. Geophys. Res.:Planets.
[4] Del Genio, A. D. and Rossow, W. B., 1990, J.
Geophys. Res. 47, 293.
[5] Kouyama, T. et al., 2013, J. Geophys. Res.: Planets 118, 37.
[6] Kouyama, T. et al., 2015, Icarus 248, 560.
[7] Imai, M. et al., 2019, J. Geophys. Res.: Planets
124, 2019JE006065.
[8] Kajiwara, N. et al., 2021, J. Geophys. Res.: Planets 126, e2021JE007047.
[9] Carlson, R. W. et al., 1991, Science 253, 1541.

23.
[25] Rossow, W. B. et al., 1980, J. Geophys. Res. 85,8107.
[26] Sato, T. M. et al., 2014, Icarus 243, 386.
[27] Yamamoto, T. et al., 2021, J. Jpn. Soc. Aeronaut.
Space. Sci. 69, 179.

一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その55 〜GCMで再現された金星大気中の波と赤道ジェットの準周期的変動~／高木，他

243

著者紹介
高木 征弘

杉本 憲彦

京都産業大学理学部教授．東京大学大学院理学系

慶應義 塾大学法学部日吉物理学研究科地球惑星科学 専攻 博士課程退学．博士 ( 理教 室教 授．京都大学大学院理学学 )．東京大学大学院理学系研究科助手，同助教，

研 究 科地 球 惑 星科 学 専 攻修了．

京都産業大学理学部准教授を経て，2018 年より現博士 ( 理学 )．名古屋大学大学院

職．

工学研究科 C OE 研究員，慶應義塾大学法学部日吉物理学 教 室専安藤 紘基

任講師，同准教授を経て，2020 年より現職．

京都産業大学理学部准教授．東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻博士課程修了．博士 ( 理松田 佳久

学)．日本学術振興会特別研究員 ( PD)，京都産業大

東京学芸大学名誉教授．東京大学大学院理学系研

学理学部助教を経て，2023年より現職．

究科地球物理学専攻修了．理学博士．東京学芸大学
教育学部助手，気象大学校助教授，東京大学大学

今井 正尭

院理学系研究科助教授，同准教授，東京学芸大学

東京大学大学院理学系研究科天文学教育研究セン

教育学部教授を経て，2017年 3月退職．同年 4月より

ター特任助教．北海道大学大学院理学院宇宙理学名誉教授．

専攻 博士後期課程修了．博士 ( 理学 )．産業技術総合研究所特別研究員，日本学術振興会特別研究員( PD) を経て，2023 年より現職．