予想外に温かい
火星の夜側中間圏
中川広務1, S. Jain2, F. Montmessin3, R. Yelle4, N. M.
Schneider2, F. Jiang4, L. Verdier3, 黒田剛史1, 吉田奈央1, 藤原均5, 今村剛6, 寺田直樹1, 寺田香織1, 関華奈
子6, H. Gröller4, J. I. Deighan2, M. Christmani2(1)Tohoku Univ., (2)LASP, Univ. Colorado, (3)LATMOS, (4)Univ. Arizona, (5)Seikei
Univ., (6)Univ. Tokyo

惑星大気オンラインセミナ, June. 9, 2020

火星中間圏は冷たいcryosphere• 火星中間圏は冷たいというのが, 従来の認識.

近年の新しい描像1 (上から)• 外部由来の金属層や太陽光エネルギー粒子(SEP)が侵入

Fig. Schneider et al., Science, 2015;
Schneider et al., GRL, 2018
Fig. Crismani et al., NatureGeo, 2017.

近年の新しい描像2 (下から)• 下層大気からダストや水蒸気が高速輸送で侵入.

Fig. Neary et al., JGR, 2019.
Fig. Fedorova et al., Science, 2020.

Fig. Aoki et al., JGR, 2020.

火星中間圏; ignosphere• 近年のMEX,MAVEN観測で上下結合の理解が急速に進む.
H

Solar Wind

EscapeD

Solar EUV, SEP

Deep penetration from space

H2O
OH

Meteor shower

Aurorae,meteoric layer
Solar ﬂux

Waves
Biotic activity?
Hydrothermal activity? TurbulenceFig. Nakagawa, Astrobiology, Springer, 2019.

Exobase(250km)

DiﬀussionHD

Dynamic transport from below

Upsurged dust
Circulation
Well-mixed

Homopause(120km)
Detachedlayer ofaerosol & H2O
HDO

H 2O

Polar capsRegolith, Near-surface reservoir

本研究の目的• NASA火星探査衛星MAVEN搭載紫外撮像分光器IUVSによる最新の星掩蔽観測によって, 予想外に温かい大気層を発見したので, その特徴を報告• 詳しい内容は, Nakagawa et al., GRL, 2020を参照• その生成メカニズムについて, もう少したちいった議論
を試みる

観測: 星掩蔽観測MAVEN• 夜側の188高度分布 (2015年3月から2018年4月までの19キャンペーン, 季節Ls=0-180に限定).

Campaign

Date

Ls

Used profiles

#3
#5
#7
#8
#14
#15
#16
#17
#18
#19

1-2 Aug 2015
3-4 Nov 201517-18 Mar 201626-27 May 201614-15 Jun 2017
5-7 Jul 2017
8-9 Oct 2017
6-8 Dec 2017
7-9 Feb 2018
11-12 Apr 2018

2264124
159
19297197126157

11152531728
27251225Fig. Nakagawa et al., 2020.

星の紫外透過スペクトル• 観測波長110-340 nm: CO2, 大気温度, O2,O3, エアロゾルを導出.
• 本研究では, 高度20-140 km (分解能2-10 km)の温度分布.

Fig. Groller et al., 2018.

結果: 特異な温度構造• モデルより最大で90 K高い(ときに200Kを超える場合も)0-500.001

1000-50

200300Lon (deg)

Density0e50.0011015LT (hr)

500-50200T(IUVS)IUVS0.010f1000.001

200Ls (deg)300T(MCD)
MCD
1000.010
80

0.100

0.100

0.100
60

1.000

1.000

1.000
4010.000
1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017
CO2 number density (cm-3)

10.00010.000100

150200
Temperature (K)Fig. CO2 number density and temperature profiles with MCD prediction.

250

100

150
200
Temperature (K)250

Approximate altitude (km)0.010
Pressure (Pa)50

Lat (deg)

500dcbLat (deg)Lat (deg)a繰り返し観測される
0.100060
1.00000.100060
1.00004010.0000

1000.0001

150
200
Temperature (K)250100cLs=63

Lat:03N,Lon:041
LT:02,Ls:063
2015/308 Nov 04
STAR HR4730 Alp1Cru

0.0010800.1000
601.0000

150200Temperature (K)250

0.0100800.1000
601.0000
4010.0000
100

150200Temperature (K)250

Lat(deg)

0-50

100

150
200
Temperature (K)0100200300Lon(deg)

0510 15LT(hr)

50100150
Ls(deg)

b50
0-50

100

40
10.0000

50

Ls=124

Lat:14N,Lon:027
LT:21,Ls:124
2016/078 Mar 18
STAR HR153 17Zet Cas

250

Approximate Altitude (km)0.01000.00010.0010100
Approximate Altitude (km)Pressure (Pa)804010.0000

b1000.0100

W/ Warm LayeraLat(deg)80

Lat:08N,Lon:296
LT:23,Ls:071
2017/281 Oct 08
STAR HR3165 Zet Pup

Approximate Altitude (km)0.0100

Ls=710.0001

0.0010100
Approximate Altitude (km)Pressure (Pa)0.0010Pressure (Pa)

Lat:23N,Lon:124
LT:01,Ls:021
2015/213 Aug 01
STAR HR2618 21Eps CMae

20c
Lat(deg)

Ls=210.0001

Pressure (Pa)a500-500

W/O Warm Layer

Fig. Temperature profiles with MCD prediction(left). The geometric locations of warm layers in Ls=0-180 (right).

赤道から夏半球に見られる• 温暖層はLs=0-180において赤道から夏半球低緯度にd(K)Tempereature

140210

Altitude (km)Polar 120warming

175

140

10080

A105

B

Warmlayer

70

60
35400-500
Latitude (deg)

50Fig. Latitude-altitude cross-section of zonally averaged temperature over ls=0-180 by 5km and 5°.

経度方向に特徴的な極大構造
Altitude (km)Northernhemisphere(00-50N)a120(K)
210

110

175

100

14090
105

807070冬半球ではみえない

Altitude (km)Southernhemisphere(50S-00)b60

355000100200
Longitude (deg)300120(K)210110

175

100

14090
10580707060355000100

200
Longitude (deg)300

Fig. Longitude-altitude cross-section of averaged temperature over Ls=0-180 in 00-50N lat(a) and 50S-00 lat(b) by 5km, 5°.

Wave-3が卓越,モデル予測も50S-00 lat

00-50N lat
250

250

Wave-1 :Wave-2 :Wave-3 :IUVSTemperature (K)

150

100
Wave-1 :Wave-2 :Wave-3 :

50
0100

200
Longitude

150

100

夏半球

2.6 K
5.8 K
9.9 K

冬半球

50030010000-50N lat
Wave-1 :Wave-2 :Wave-3 :

0.9 K
2.0 K
5.0 K

MCD
180
Temperature (K)Temperature (K)300200160140

夏半球

1201000200
Longitude

50S-00 lat

200180IUVS

200200Temperature (K)

0.7 K
0.8 K
1.2 K

100200Longitude

300

Wave-1 :Wave-2 :Wave-3 :

2.8 K
0.3 K
0.1 K

MCD

160

140

冬半球

120

100
0100

Fig. Longitudinal variation of temperature in the altitudes 75-85 km with the MCD.

200
Longitude300

大気不安定,波動伝搬に影響• 強い温度反転は大気不安定を生み, 上方伝搬波動を砕破
160

160

140

140

Instability

120
Altitude (km)Altitude (km)12010080100806060404020502050100 150 200
Temperature (K)250 -0.0004 0.0000
0.0004
Buoyancy frequency

Instability

100 150 200
Temperature (K)250 -0.0004 0.0000
0.0004
Buoyancy frequency

Fig. Temperature profiles and buoyancy frequency acquired by MAVEN/IUVS stellar occultations.

議論: 類似の構造が地球にも• Mesospheric Inversion Layer (MLI); 2000年前後にいく
つか論文が出版, 主にNaライダー温度観測 (例えば,Meriwether and Gardner, JGR, 2000).
• 中間圏界面での温度の高度分布に極大が現れる• 潮汐が背景の温度場を作って、そこに重力波などの影響でできるというのが共通認識• しかし完全にわかっていない; 時間変化, 緯度分布が説
明不十分

類似の構造が金星にも• VEX観測で2007年に報告 (Bertaux et al., 2007)• 夜側での下降流による断熱加熱という解釈 (立証無し).

Fig. Bertaux et al., Nature, 2007.

火星Polar warmingの要因• MRO/MCSによって発見 (McCleese et al., 2008).
• 子午面循環における極域での下降流による断熱加熱でできるというのが共通認識 (全経度からの循環だから強烈).

• 大気波動(特に小規模重力波)による砕破・背景速度場へのドラッグ効果が, 夏冬半球をまたぐ子午面循環に重要な役割を担う (Medvedev et al., 2011など).

Warm layerの要因は?
• MCDとの比較からわかること; メカニズムはMCDと同じ? ただし振幅が足りない• GWによる加熱? (Medvedev and Yigit, 2012); GWモデル
を走らせないとわからないTBD• 熱潮汐振幅を強めるand/orモデルには無い昼夜間対流を引き起こす追加の昼側加熱? モデルに含まれていない高高度エアロゾル層や金属層はどう影響? (Montmessin et al.,2006; Crismani et al., 2017)• NO大気光観測は, 昼側下部熱圏から夜側中間圏への大循環を示唆(NとOが昼生成,夜で再結合) (Stiepen et al., 2017)

昼側加熱?
• MAVEN昼側観測の別解析でも高度90-110 kmに温度昇温が見られることが確認されたので確からしい(200 Kを超える) (S. Evans et al., private com.)• ただし, 特徴は夜側のそれとは異なる (夏冬いずれにもみられる, Wave-3は明瞭で無い etc)

• GCM予測によれば, 下層から上方伝搬する半日潮汐が中間圏温暖層に重要な役割を担っていそう (J. Wilson etal., private com.), より高高度ではEUV直接加熱が潮汐の駆動に重要 (cf. 中間圏で直接加熱は無いGCM)

初めての熱圏風速観測: 昼夜対流
• 質量分析器の初めての超高層風観測 (高度150 - 200 km)• モデルで示唆される昼夜対流と合致 (有意な不一致も)Fig. Benna et al., Science, 2019; Rotten et al., JGR, 2019.

大循環に伴う組成非一様• 熱圏対流に伴う上昇流・下降流は, He bulgeなど軽い分子の非一様を生み出す ("Wind-induced diffusion")• O2も同様（光乖離によるO生成/昼O2減少, Oの昼→夜移流, 再結合/夜O2増加）• 地球, 金星, 火星で共通して観測されている; 地方時依存性, 夏冬依存性 (例えば, Reber and Hays, 1973; Kumaret al., 1978; Niemann et al., 1980; Allen et al., 1981; Liuet al., 2014; Elrod et al., 2016)• 鉛直流が存在すれば, 組成比非一様が生じるはずまとめ• 火星中間圏は, 下層・宇宙から影響を受ける遷移領域• 従来冷たいと考えられていた火星中間圏夜には, 予想外に温かい大気層が存在し, ときには200 Kを超える.

• 高度80kmで赤道〜夏半球低緯度に広がり, 波数3構造が顕著• 火星年前半に限らず, 後半にも年間通じて観測• 関連性は不明なものの, 地球・金星にも類似現象あり• 潜在的要因である熱圏/中間圏にかけての昼夜間対流について考察, 同高度の昼夜大気組成非一様を形成しうるだけの潜在的な鉛直フラックスは存在しうるかもしれない; 要詳細検討