Assessing the long-term variability of Venus winds
at cloud level from VIRTIS–Venus Express
R. Hueso, J. Peralta, A. Sanchez-Lavega (Icuras, in press)
・Sanchez-Levega et al., 2008.
Variable winds on Venus mapped in three dimensions (GRL)に対して解析に用いたデータを拡張した論文
・複数の高度で風速を長期間にわたって平均し、その特徴を解説
・ミッション中に得られた風速の時間変化や過去のミッションで得られた風速を比較して、風速の時間変動性について考察

神山の研究との比較

1

金星大気スーパーローテーション
東西風速が高度とともに単調増加
高度70 kmで金星自転速度の~60倍の風速(100 m/s)
投入プローブによる測定

Venus Express/VIRTIS

東西風速の高度分布

東西風速 (m/s)

700
Latitude (deg)Altitude (km)60504030

南北風速 (m/s)~45km-20-40~61km-60

20~70km10-800-140 -100
025 50 75 100 125
Zonal wind speed (m/s)[Schubert, 1983]+: 北向き-60-20 0U(m/s)
Upper branch ofa global Hadley cell?

-20 -1001020V(m/s)[Sanchez-Levega et al., 2008]
2

Venus Express /Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer (VIRTIS)

Venus Express
軌道投入：2006年4月
極軌道周回 (24時間周期)
近金点緯度：~80˚N
南半球高緯度上空で遠金点© ESA

VIRTIS-M

380 nm

1.7 μm[Drossart et al., 2007]

・可視チャンネル： 0.25 – 1.0 μm- 380 nm: 昼面の雲層上層(66-73 km)を観測
・赤外チャンネル： 1 – 5 μm
- 1.74μm: 夜面の雲層下層(44-48 km)を観測解析に用いた期間(Table 1,2 参照):

- 上層: 2006年4月～2007年8月 (45 軌道)- 下層: 2006年4月～2008年9月 (39 軌道)
南半球極域～低緯度帯を観測

撮像視野： 3.6 x 3.6 deg (Scan mode)(遠金点から観測して金星の1/9が収まる程度)© ESA/VIRTIS/INAF-IASF/Obs. de Paris-LESIA
3

解析に用いた画像例
Fig.1

上層(66-73 km)
380 nm上層(Highpass)

下層(44-48 km)
1.74μm

緯度経度展開using PLIA software[Hueso et al., 2010]

4雲追跡による風速推定
・人の目によるマニュアルトラッキング- 相関を用いるデジタルトラッキングでは誤ベクトルが多数生じたため
本論文では不採用- Wavy structures は追跡しない

2 hours

・緯度経度展開画像を用いて雲追跡- 衛星軌道情報・姿勢情報に基づく展開(PLIA)- ズーム画像を用意し精度を高める工夫
・各追跡点における追跡誤差- 上層 9 m/s, 下層 6 m/s 程度- 模様によって3-10m/sの値を取る
同じ画像を極投影図法で展開し比較して精度を確認(姿勢決定精度 ~0.02deg [Bertaux et al., 2007]から見積もられる風速誤差は1.5m/s程度)
Fig. 25

平均風速分布東西風速<u> = -101±10 m/s (0˚ ~55˚S)∂u/ ∂y = -0.027 m/s/km (> 55˚S)- おおよそVMC/UVの解析結果と一致- 数日周期の周期的変動は検出できず- 追跡可能な軌道の数・模様の数が尐なかった- 追跡誤差・ばらつきが大きいためLatitude (deg)

雲層上層
0南北風速

東西風速

Fig. 3-20-40-60

南北風速→過去の報告と整合的な結果
東西風速<u> = -60±7 m/s (0˚ ~65˚S)∂u/ ∂y = -0.023 m/s/km (> 60˚S)-80-120 -80 -40
U (m/s)雲層下層
0南北風速
同じ画像の中で北・南の両方へ向かう
15m/sの南北風が存在

局所的には強い南北風(擾乱)が存在するものの惑星スケールでの平均は
5 ± 8 m/s 以下となり弱い

Latitude (deg)

極向きの風: 極大値 10m/s at 55˚ S
赤道・極で 0 m/s に近付く

0-20 -10 0 10 20V (m/s)

Fig. 5-20-40-60-80-60-120 -80 -40U (m/s)

0-20 -10 0 10 20 6V (m/s)

下層での南北風速の変動・ばらつき

一つの画像内で大きなばらつき

#302

#310

#324

#611

#620

#740

Fig. 8. Meridional wind profiles in the lower cloud at specific orbits.

7

下層での東西風速の変動・ばらつき#302

緯度50˚S-70˚Sで風速が大きくなることがある(E,F)
緯度55˚Sは模様の特徴が変化する境目

#310

#324

緯度50˚S- 70˚Sにおける風速の増大は、極渦の存在と活動の活発さに相関があるように見える

#611

#620

#740

Fig. 7. Examples of zonal wind profiles in the lower cloud at specific orbits.

8各軌道での雲模様

緯度50˚S-70˚Sで風速が大きくなることがある(E,F)
緯度55˚Sは模様の特徴が変化する境目- Turbulent- Richer in features- Laminar
55˚S
Fig. 99平均風速分布-120U (m/s)

0

雲層上層

-15V (m/s)

15Fig. 4(A)東西風速：50S-70Sに9hrから16hrに向かって2.5 ±0.5m/s/Local Time の増加傾向が見られる。
(熱潮汐波に由来?) 全体で10m/s程度の変化(B)南北風速：強いローカルタイム依存性はあまり見えない-70U (m/s)

0

雲層下層

-10V (m/s)

10Fig. 6(A)東西風速：上層と比較して緯度に対してあまり変化しない。明確な熱潮汐波構造は見られないが朝方領域にローカルタイム依存構造が見られる(サンプル数が尐ないためたまたま？)。
10(B)南北風速：複雑な水平構造。ただし各値はFig 5Bの誤差範囲を下回る。擾乱を反映？

用いたベクトル数

雲層上層-120 U (m/s)

0

N wind Vectors
020Fig. 4

雲層下層-70U (m/s)

00

N wind Vectors

40Fig. 611東西風速：VMCの観測結果との比較

雲層上層

VIRTISの結果(2006~2007年の平均)

Fig. 4

VMCの結果2006年~2007年の平均(Visual Tracking)

2006年~2007年の平均(Digital Tracking)Latitude (deg)1208101214
Local Time (hr)1640

[Moissl et al., 2008]

81012141612
Local Time (hr) 神山の解析結果

東西風速の時間変動（赤道～30˚S）(A)
VOI からMiddle Term Planning (MTP) 15にかけて、強い増加傾向が見られる。
しかし誤差範囲の広いVOIとMTP 15を除くと風速の変動はそれほど大きくない。
(B)
誤差範囲の広い観測期間は、日々の観測値も誤差範囲が広い

MTPごとに平均した
東西風速

Dairy data

→誤差を考慮すると、Panel A, Bで見られる風速変化の傾向は誤差によるもので、実際の変動とは異なる可能性がある<u> = -60±5 m/s(C)
誤差の小さい観測期間だけを見るとはっきりとした風速変動は捉えられない<u> = -58±3 m/s(C,D)Dairy dataのうち時間的に連続してデータが得られた期間

Fig. 1013

風速の鉛直分布

Fig. 11

東西風速

Fig. 12南北風速

鉛直方向の速度シア-20 -10 0 10 20
V (m/s)-0.002 -0.001
0 0.001
ΔU/Δz (s-1)

0Latitude (deg)~45km-20-40-60~70km~60 km(980 nm)

-80
-120

-80
-40
U (m/s)0<45 – 73 km>∂u/ ∂z = -1.4 ± 0.4 m s-1 km-1 (0˚ - 55˚S)∂u/ ∂z = -0.4 ± 0.5 m s-1 km-1 (50˚ ~ 60˚ - 90˚S)-1 m s-1 km-1

鉛直風速変化のほとんどは高度60-70kmで生じている可能性(最大で 5 m s-1 km-1 程度)
ただし高度によって観測期間が同じでない、観測日が限られているなどの理由から、はっきりとした結論は導き出せていない

14

Discussions

東西風速：異なる観測間での比較
雲層上層 (66~73 km)

上層下部(~60 km)

雲層下層

紫外撮像

撮像波長980 nm

1.74μm 撮像

1974(Mariner 10)
PioneerVenus
Probe(72 km)1991 (Galileo)
1980 & 1982
(Pioneer Venus)

1991 (Galileo)

1991(Galileo)2006 & 2007
(Venus Express)

MTP15

PioneerVenus
Probes(66 km)2006 & 2007
(Venus Express)

2006, VOI
(Venus Express)

Fig. 13

PioneerVenus
Probes(50 km)VOI2006 - 2008
(Venus Express)♦: 北半球のProbe dataを南半球の同じ緯度に投影した値(A) 30年に渡る複数のミッションを通して風速・緯度分布は大きく変化していない(ただしMariner 10 による観測にだけ強いMid-latitude jetあり)(B) Galileoによる観測、初期のVenus Expressによる観測、全期間の平均にある程度(~10m/s)のばらつきが存在(C) 二つのミッション間で低緯度帯は良い類似性がある。中緯度帯に大きな違い

15風速： 異なる観測間での比較
雲層上層 (66~73 km)
紫外撮像

過去の観測、Venus Expressで得られた風速分布をそれぞれ差分を取ってプロット

雲層下層
1.74μm 撮像

Fig. 14(A)おおよそ東西風速のばらつきは±10 m/s程度(Mariner 10 で見られた中緯度ジェットとの比較、Galileo衛星の高緯度帯における結果との比較を除く)→ 10 m/sのばらつきは熱潮汐波由来の風速振幅、各風速推定の誤差で説明されうる。
(B)平均からの逸脱が大きかったVOI時のデータ・MTP15のデータと全体の平均との比較
16
この2つの時期以外では大きな風速の変化は見られていない

東西風速の時間変化について
雲頂高度、低・中緯度帯の東西風速は数百日で~20m/s変化しうる

Epoch 1 E. 2

E. 3

E. 4

E. 5

E. 6

E. 7

風速の速い時期だけを平均

130
120

Zonal wind speed (m/s)

Zonal wind speed (m s-1)

緯度 24˚S

110
100
90
80
70
0

風速の遅い時期だけを平均

Smoothed
Fitted
200

400

600

800 1000 1200 1400

Latitude (deg)Days after April 20, 2006
[Kouyama et al., Submitted]
17東西風速の時間変化について
1980年と1982年の風速の比較[Limaye, 2007]

1982

1980

・低・中緯度帯に関しては、風速の時間変化がミッション間のばらつきの一因となっている可能性
ただし高緯度の東西風速に顕著な時間変動は見られていない
・異なるミッション間の比較では高緯度も東西風速に10m/sの差があった→ 数年単位ではそれほど風速変化はないが数十年単位で変化する？(cf, Parish et al., 2011)18

Summary
雲頂(~70 km)

東西風速: 観測期間を通して安定していた⇒実際には時間変動がある動的平衡な状態?
南北風速: 昼面では赤道から極に向かう流れが確認される
東西風速：大きな鉛直勾配？

上層下部(~60 km)

東西風速: ~62m/s
南北風速: < 5 m/s [Sanchez-Levega et al., 2008]

東西風速：緩やかな鉛直勾配？

雲層下層(~45 km)

東西風速: ~60m/s, あまり時間変化しない
熱潮汐波に由来する構造は確かめられない
極渦の活動に伴って50˚-70˚Sの風速が変化する
南北風速: 風速の測定箇所ごとに15 m/sの大きなばらつきがある
平均値は5 m/s 以下
19

Appendix

20

21

22

Fig. 4. Zonal–latitudinal map of zonal and meridional winds
in the upper cloud. (A) Latitude–local time distribution ofzonal wind. (B) Latitude–local time distribution ofmeridional wind. (C) Number of wind vectors in each
latitude–local time bin.

Fig. 6. Zonal–latitudinal map of zonal and meridional
winds in the lower cloud. (A) Latitude–local time
distribution of zonal wind. (B) Latitude–local time
distribution of meridional wind. (C) Number of wind23vectors in each latitude–local time bin.

Discussions

東西風速： Probe dataとの比較
雲層上層 (66~73 km)

上層下部(~60 km)

雲層下層

紫外撮像

撮像波長980 nm

1.74μm 撮像

1974(Mariner 10)
PioneerVenus
Probe(72 km)1991 (Galileo)
1991 (Galileo)
1980 & 1982
(Pioneer Venus)

1991(Galileo)

PioneerVenus
Probes(66 km)2006 & 2007
(Venus Express)

PioneerVenus
Probes(50 km)2006 & 2007
(Venus Express)

2006 & 2007
(Venus Express)♦: 北半球のProbe dataを南半球の同じ緯度に投影した値(A) Ignativ et al 2009では雲頂高度が72km
しかし72kmのProbeの結果と比較して雲追跡の結果はあまりよく一致しない
雲追跡の結果は66kmのProbesの結果に近い。紫外波長では尐し低い雲を撮像している？
(B) 980 nm撮像はProbeの観測した風速との比較から58~60 km高度を撮像している？
24(C) 下層高度の雲追跡結果は想定した高度のin-situ dataとよく一致している。

AbstractThe Venus Express (VEX) mission has been in orbit to Venus for more than 4 years now. The Visible andInfrared Thermal Imaging Spectrometer (VIRTIS) instrument onboard VEX observes Venus in two channels(visible and infrared) obtaining spectra and multi-wavelength images of the planet that can be used tosample the atmosphere at different altitudes. Day-side images in the ultraviolet range (380 nm) are used tostudy the dynamics of the upper cloud at 66–72 km while night-side images in the near infrared (1.74 lm)
map the opacity of the lower cloud deck at 44–48 km. Here we present a long-term analysis of the global
atmospheric dynamics at these levels using a large selection of orbits from the VIRTIS-M dataset covering
860 Earth days that extends our previous work (Sanchez-Lavega, A. et al. [2008]. Geophys. Res. Lett. 35,L13204) and allows studying the variability of the global circulation at the two altitude levels. The
atmospheric superrotation is evident with equatorial to mid-latitudes westward velocities of 100 and 60 m
s1 in the upper and lower cloud layers. These zonal velocities are almost constant in latitude from theequator to 50S. From 50S to 90S the zonal winds at both cloud layers decrease steadily to zero at the pole.
Individual cloud tracked winds have errors of 3–10 m s1 with a mean of 5 m s1 and the standard deviations
for a given latitude of our zonal and meridional winds are 9 m s1. The zonal winds in the upper cloud changewith the local time in a way that can be interpreted in terms of a solar tide. The zonal winds in the lower
cloud are stable at mid-latitudes to the tropics and present variability at subpolar latitudes apparently linked
to the activity of the South polar vortex. While the upper cloud presents a net meridional motion consistent
with the upper branch of a Hadley cell with peak velocity v = 10ms1 at 50S, the lower cloud meridionalmotions are less organized with some cloud features moving with intense northwards and southwards
motions up to v = ±15 m s1 but, on average, with almost null global meridional motions at all latitudes. We
also examine the long-term behavior of the winds at these two vertical layers by comparing our extended
wind tracked data with results from previous missions.
25