WTKセミナー (神戸CPS, 2018/07/23)	

金星GCMで得られた熱潮汐波の3次元構造	
高木征弘 (京都産業大学理学部)
Email: takagi.masahiro@cc.kyoto-su.ac.jp	

1	

今日の予定	• 熱潮汐波• 夜昼間対流• 平均子午面循環	

2	

金星大気中の熱潮汐波	
• 金星大気中では太陽光の6–7割が雲層高度 (45–70km) で吸収されるため，それによって励起される熱潮汐波（強制重力波）はもっとも重要な大気波動のひとつであると考えられている。
• 金星の大気スーパーローテーションは熱潮汐波によって維持されるという研究結果も報告されている (Newmanand Leovy 1992; Takagi and Matsuda 2007)。
• しかしながら，金星熱潮汐波の空間構造はあまり調べられてこなかった。
3	

金星の基本パラメータ	
金星	

地球	

赤道半径	6052 km

6378 km

重力加速度	

8.90 m/s2

9.80 m/s2

公転周期	224日	

365日	

自転周期	–243日	

1日	1太陽日	

117日	

1日	

太陽放射量	

2617 W/m2

1370 W/m2

アルベド	

0.780.30

有効放射温度	

224 K

255 K

大気組成	

CO2 (98%), N2

N2, O2地表気圧	

92 bar1 bar
4	

金星大気中の太陽光吸収	
全球平均した正味の太陽光フラックス	• 太陽光の過半 (約60%) が雲層(45–70 km) で吸収される
フラックス (W/m2)	

• もや層 (70–80 km) での吸収もかなり多い (大気密度が小さいので，加熱率 K/s が大きくなる)• 地面に到達する太陽光は 17 W/m2 (12%) 程度 (温室効果には不利)
雲層	

金星では太陽エネルギーの大部分が上層大気で吸収され，大気運動が作られる。	

高度 (km)	

Tomasko	  et	  al.	  (1980)	  5	

金星大気スーパーローテーション	
• 自転と同方向の東西風が全球的に卓越（大気スーパーローテーション）• 風速は高さとともに増大雲層	100 m/s• 高度 70 km で ~100 m/s• 回転周期：約4日• 自転速度の約60倍• 緯度分布は剛体回転に近い• 雲頂では低緯度が等速分布
自転速度1.8 m/s

Schubert et al. (1980)	

• 雲層より上 (> 70 km) では高さとともに減少• 時空間変動も？	
6	

熱潮汐波による平均東西流生成	
• 熱潮汐波とは…	
自転方向→	• 太陽加熱によって励起される大気中の波（重力波）	
• 地上からみると，太陽と同じ位相速度で東西方向に伝播	
• 東西波数1の波＝一日潮	

太陽光吸収	  による加熱	• 東西波数2の波＝半日潮	
スーパーローテーション	

熱潮汐波は波の位相速度と同じ方向の運動量を伴う (Fels andLindzen 1974)	

• 雲層高度での太陽光吸収により，金星大気中では熱潮汐波が強く励起される	
• 熱潮汐波は運動量を運ぶ（波に伴う運動量）	
• 波が励起される領域（雲層）では波の位相速度と逆方向（＝自転の方向）の平均東西流が作られる	
7

熱潮汐波による平均流生成	

平均流の速度 U2 は
U1 の数倍	0	

熱潮汐波の位相速度	

Fels and Lindzen (1974)	

Plumb (1975)	

8	

熱潮汐波の構造 (球面上線型モデル)	
一日潮の T’	

半日潮の T’	

70 km	

10 K	

10 K	

70 km	
53 km	
鉛直波長λz: ~6 km	

λz: ~30 km	
9	Pechmann and Ingersoll (1984)	

実線: モデル
点線: PVO観測	

一日潮の南北構造（温度偏差）	

ch4 (68 km)	振幅 (K)	

振幅 (K)	

ch3 (75 km)	

Eq	

30˚	

60˚	

90˚	

Eq	

ch3 (75 km)	

30˚	

60˚	

90˚	

ch4 (68 km)	位相	位相	

中・高緯度で振幅が大きい	

10	Pechmann and Ingersoll (1984)	

半日潮の南北構造（温度偏差）	ch4 (68 km)	振幅	  (K)	

振幅	  (K)	

ch3 (75 km)	Eq	30˚	60˚	90˚	

低緯度で振幅が大きい	

Eq	30˚	60˚	90˚	ch4 (68 km)	位相	ch3 (75 km)	位相	

実線: モデル
点線: PVO観測	

11	

Pechmann and Ingersoll (1984)	

熱潮汐波によって維持される平均東西風	
東西波数 0, 1, 2 のみを含む弱非線型モデル
初期風速 75 m/s	

東西風の加速・減速	

初期風速 120 m/s	

A: 平均鉛直流による移流，B: 一日潮，
C: 半日潮，D: レーリー摩擦，E: 鉛直
粘性12	

Newman	  and	  Leovy	  (1992)	

雲頂高度での風速分布	
evening	

morning	evening	

morning	u	v	Model	  output	u	v	Cloud	  tracked	  wind	

planet	  rota>on	

13	

Newman	  and	  Leovy	  (1992)	

u	v	

u	v	
Basic	  ﬁeld:	  Jets	  at	  60N	  u	evening	

Takagi and Matsuda (2005)	

morning	Basic	  ﬁeld:	  Solid	  body	  rota>on	v	

Basic	  ﬁeld:	  Jets	  at	  30N	  planet rotation	線型モデルで得られた雲頂水平風速	

14	

熱潮汐波の鉛直伝播と運動量輸送	
一日潮	

半日潮	

一日潮による dU/dt	

半日潮による dU/dt	

15	

Takagi and Matsuda (2006)	

GCM による熱潮汐波メカニズムの検証	
平均東西流 (m/s) の緯度-高度分布	
（積分開始から250地球年目）	

赤道での平均東西流の時間変化	
臨界高度の形成	

Umax 68 m/s	10	50	

太陽加熱の日変化成分のみ	

250地球年	

大気スーパーローテーションはできたが，子午面循環の効果を無視している。緯度分布が顕著な赤道ジェット型になっている点も非現実的。	
16	

Takagi and Matsuda (2007)	

予想された循環：夜昼間対流	
金星の1太陽日：	〜243地球日	
自転効果（太陽の移動）は無視できる，と考える	

北極	

昼側	

太陽と金星を結ぶ直線に対して軸対称な循環	

夜側	

太陽	
上昇流	

下降流	

昼側で暖められた	空気が上昇	

夜側で冷やされた	空気が下降	

南極	

17	

Thompson (1970) メカニズム	
夜昼間対流の対流セルの傾きと鉛直シアを持つ平均流との相互作用による不安定。実際には温度場との相互作用が重要 (Takagi andMatsuda, 1999)。	
平均東西風	

Thompson (1970)	

直立した夜昼間対流が不安定化し，平均東西風が作られる	18	

3次元的な夜昼間対流の安定性	
Thompson (1970) を三次元球面上に拡張し，夜昼間対流の線型安定性を調査 →安定	
自転ありの場合 (24.3日)	

高さ	

高さ	

緯度	

緯度	

自転なしの場合	

経度 (deg)	

経度 (deg)	

Takagi and Matsuda (1999)	

Takagi and Matsuda (2000)	
19	

金星の子午面循環	

Schubert et al. (1980)	

赤道から極に及ぶ子午面循環が鉛直方向にいくつか積み重なった構造（多重セル）が予想された。ただし，まだ観測的な裏付けはない。	

20	

地球の子午面循環（南北方向の大気運動）	
極循環	
金星？
(Schubert et al., 1980)	

フェレル循環	（間接循環）	
ハドレー循環	（直接循環）	

中緯度の偏西風中に生じる傾圧不安定波によってフェレル循環が作られる。	
21	

子午面循環メカニズムの模式図	
大気の角運動量分布	
（水平渦粘性なしの場合）	

大気の角運動量分布	
（水平渦粘性ありの場合）	
水平渦粘性による引き戻し	

上層	
子午面循環	

子午面循環	
下層	
赤道	

北極	

• 下層の東西風分布は地面摩擦により剛体回転（等角速度分布）になる。	
• 水平渦粘性がなければ上層での極向き輸送は角運動量を保存する。	

Gierasch (1975), Matsuda (1980, 1982)	

赤道	北極	

• 水平渦粘性は角運動量を低緯度に輸送し，上層の東西風分布を剛体回転（等角速度分布）に近づける。	
• 高緯度での下向き輸送は，低緯度での上向き輸送より小さくなる。	
• 上層に角運動量が蓄積し，スーパーローテーションが作られる。	
22	

GCM による子午面循環メカニズムの検証	U （平均東西流）	

W （平均鉛直流）	

東西平均加熱のみのケース	

地面から雲頂上端高度・赤道から極に達する1セルの子午面循環によって大気スーパーローテーションが生成・維持される。ただし，下層大気に非現実的に強い太陽加熱を与えていることに注意。	
23	

Yamamoto and Takahashi (2003a, b)	

子午面循環メカニズムと太陽加熱強度	
非現実的な強い太陽加熱	

現実的な太陽加熱	

U

U

V, W

V, W

1セルの子午面循環	
高速の大気スーパーローテーション	

子午面循環は3セルに分裂	大気スーパーローテーションなし	
24	

Hollingsworth et al. (2007)	

数値モデル	• GCM: AFES for Venus (Ohfuchi et al., 2004;
Enomoto et al., 2008; Sugimoto et al., 2014a, b)• 解像度: T63L120 (鉛直領域: 0–120 km)• 太陽加熱: Tomasko et al. (1980)• 高度 80 km 以上での太陽加熱は無視• 放射輸送過程はニュートン冷却:• 参照温度 Tref の鉛直分布は観測に準拠• ただし，Tref は水平一様• 初期条件: 理想化したスーパーローテーションと，それにバランスする温度場を仮定• 積分時間: 5地球年
25	

東西平均場 (117日平均)	
U (color), T–T(z) (contour)	

V (color), W (contour)	

Takagi et al. 26	(2018)	

東西平均流の南北分布：観測との比較	

Velocity	  [m/s]	

75	  km	70	  km	65	  km	
Machado	  et	  al.	  (2014)	

La>tude	  [deg]	

27	

雲層付近の平均子午面循環	
東西平均した南北流と鉛直流	

雲頂付近 (65–70 km) 	

Hadley	  cell	
Ferrel-­‐like	  cell	• ハドレー循環（低緯度）とフェレル循環（中高緯度）が存在	
• 従来の予想とは異なり，地球的な子午面循環の構造	
• ハドレー循環に伴う南北風速は1–2m/s 程度		

雲頂より上（> 74 km）	• 赤道から極に達するハドレー循環が存在	• 南北風速は 20–30 m/s	28	Takagi et al. (2018)	

自転周期と子午面循環の構造	
子午面循環の流線関数	

自転周期 1/8日	
極	赤道	

いったんスーパーローテーションが成立すると，子午面循環が極まで届かない可能性。子午面循環メカニズムは作動するか？	

自転周期 4日（金星上層）	
極	

赤道	

自転周期16日（金星下層）

自転周期 1日
（地球）	
極	

赤道	

自転なし
Williams (1988)	

29	

極	

赤道	

熱潮汐波の水平構造 (70 km)	u’ (color), utotal (contour)	

6LT	

自転方向	

v’ (color), vtotal (contour)	

18LT	

w’ (color), wtotal (contour)	

T’ (color), Ttotal (contour)	

30	

Takagi et al. (2018)	

熱潮汐波の水平構造 (60 km)	u’ (color), utotal (contour)	

6LT	

自転方向	

v’ (color), vtotal (contour)	

18LT	

w’ (color), wtotal (contour)	

T’ (color), Ttotal (contour)	

31	

Takagi et al. (2018)	

熱潮汐波の水平構造 (50 km)	u’ (color), utotal (contour)	

6LT	

自転方向	

v’ (color), vtotal (contour)	

18LT	

w’ (color), wtotal (contour)	

T’ (color), Ttotal (contour)	

32	

Takagi et al. (2018)	

熱潮汐波の東西-鉛直構造	
赤道	

6LT	

60˚N	

w’ (color), z’ (contour)	

18LT	

30˚N	

6LT	

自転方向	
w’ (color), z’ (contour)	

18LT	

w’ (color), z’ (contour)	

上部雲層 (60–70 km) に注目すると，赤道と60˚Nでは一日潮，30˚Nでは半日潮が卓越。赤道域では昼面で上昇流，夜面で下降流であるが，60˚Nでは鉛直流の方向が逆転している。
6LT	

18LT	
33	

熱潮汐波の緯度-高度構造	
15LT (45˚E)	

w’ (color), z’ (contour)	

15LT付近の低緯度 (45˚S–45˚N) の上昇流は
高度 55–85 km の広い範囲に存在している。
極向きの流れは 75–80 km では極を超えて夜側に流れるが，60–70 km では 60˚N/S 付近で下降する。	

23LT (165˚E)	

w’ (color), z’ (contour)	

高度 55–75 km には低緯度で下降流，45˚–80˚ で上昇流がみられる。スーパーローテーションの影響で 55–70 km 付近では夜昼間対流が低緯度に集中している？	
34	

熱潮汐波に伴う鉛直風（赤道上）	
moring	自転方向	

evening	Color:	  w’	  Vector:	  (u’,w’)	

The	  semidiurnal	  >de	  propagates	  upward	  and	  downward.	

Takagi et al. (2018)	

鉛直風は高度 50 km から 80 kmに広がる深い構造を示す。この結果は，一日潮の鉛直構造が波的ではなく，夜昼間対流的な構造をもつことを示している。夜昼間対流の鉛直風速は平均子午面循環の約10倍程度。水平風速 35 m/s 程度の夜昼間対流がスーパーローテーションに埋め込まれている。	

(m/s)	

35	

雲頂の紫外光吸収物質の分布	
午後	

午前	

自転方向	

太陽直下点の下流側に暗い領域が観察されることが多く，未知の紫外光吸収物質が下層から雲頂に輸送されていると解釈されている。これは雲層の夜昼間対流（一日潮）に伴う上昇流の分布と整合的であり，熱潮汐波は金星上層大気の物質循環（雲物理過程など）に重要である可能性がある。	

36	

Titov et al. (2012)	

UV contrast observed by Mariner 10 	planet	  rota>on	It	  is	  speculated	  that	  the	  global	  Y-­‐shape	  pa[ern	  observed	  in	  UV	  is	  related	  to	  the	  Y-­‐shape	  pa[erns	  formed	  by	  the	  thermal	  >de,	  though	  the	  phase	  speeds	  are	  completely	  diﬀerent.	

Belton	  et	  al.	  (1976)	
37	

熱潮汐波の振幅 (東西波数ごと)	
k=1 (1日潮)	

k=2 (半日潮)	

k=3 (1/3日潮)	

k=4 (1/4日潮)	

38	

Vertical wind distributions at 70 km	
Zonal	  wavenumber	  1	  (0.02	  m/s)	

Zonal	  wavenumber	  2	  (0.03	  m/s)	

Zonal	  wavenumber	  3	  (0.012	  m/s)	

Zonal	  wavenumber	  4	  (0.008	  m/s)	

39	

太陽加熱強度との比較	
太陽加熱の東西分布	  	  	  Qsol(lon)	  =	  	  	  	  	  	  Qmax	  *	  cos(lon)^n	  	  	  	  	  (dayside)	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  0	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (nightside)	
東西方向にフーリエ展開	  	  	  Qsol(lon)	  =	  Q0	  +	  Q1*cos(lon)	  +	  Q2*cos(2*lon)	  +	  …	東西波数	Q’ (n=1)	

Q’ (n=1.44)	

W’	

1	

5.00e-1	

4.62e-1	

0.020	

2	

1.06e-1

1.18e-1	

0.030	

3	

0.00e+04.58e-2	

0.012	

4	–2.12e-2	

–1.22e-2	

0.008	
40	

位相速度の効果	
• 温度偏差（東西波数 k 成分）の式
ik (U–c) Tk’ + … = Qk’• 位相速度• 一日潮: c1 = 3.76 m/s• 半日潮: c2 = 7.52 m/s• 1/3日潮: c3 = 11.3 m/s• 1/4日潮: c4 = 15.0 m/s• 東西平均流 U は ~100 m/s なので，U–c の変化
は1割程度	41	

一日潮と半日潮の東西-高度分布	
一日潮: √ρ u’	

半日潮: √ρ u’	

一日潮: √ρ T’	

半日潮: √ρ T’	

42	

熱潮汐波による運動量の南北輸送	

Altitude [m]	70 km	

熱潮汐波による運動量輸送は低緯度で赤道向き，中緯度で極向きになっており，中緯度ジェットを弱めるように運動量を運んでいる。	

Longitude [deg]	

60 km	

43	Altitude [m]	熱潮汐波による熱の南北輸送	

熱潮汐波による熱の南北輸送は上部雲層の高度では低緯度から高緯度向きである。

Longitude [deg]	

44	

短周期擾乱の運動量と熱の輸送	
運動量輸送 <ρu’v’>	

熱輸送 <ρv’T’>	

傾圧不安定波(Sugimoto et al. 2015)	

ケルビンモード？	

短周期擾乱による南北運動量輸送は高度 55 km より上で極向き，下で赤道向きである。極向きの運動量輸送は傾圧不安定波に伴うものと考えられる(Sugimoto et al. 2014b)。

短周期擾乱による南北熱輸送は高度48 km より上で極向き，下で赤道向きである。運動量輸送との対応関係が複雑。
45	

雲追跡風との比較 (VMC)	
東西風	

南北風	
30N	
EQ	

18LT	

12LT	

6LT	

90S	

18LT	

12LT	

6LT	

VMC/Venus Express の紫外画像から雲追跡によって求めた水平風速(Epoch 4: 2008/1–2008/5)。期間は2006年5月から2013年3月まで。	
46	

Kouyama et al. (in prep)	

Epochごとの u(LT, lat) 分布	

18LT	

12LT	

6LT	

スーパーローテーションがだんだん速くなっている。ただし，熱潮汐波成分（東西平均からのズレ）はあまり変わらない。	
47	

Kouyama et al. (in prep)	

Epochごとに 15S-5S で緯度平均した u(LT) 分布	

注意: 異なる地理経度の情報が含まれている	

48	

Kouyama et al. (in prep)	

Epochごとに18LT-6LT で東西平均した東西風の緯度分布	

49	

Kouyama et al. (in prep)	

全期間で平均した熱潮汐波の東西風偏差（東西平均からのズレ）	
VMC/Venus Express	

GCM (AFES-Venus) at 70 km	

6LT	

18LT	

左図とは左右が逆であることに注意

50	

Kouyama et al. (in prep)	

Epochごとの v(LT, lat) 分布	

南北風の分布はほとんど変化しないようにみえる。極向き風の中心は 12LT よりもやや午後側にある。9LT，15LT よりも昼夜境界側には赤道向きの流れがある？	
51	

Kouyama et al. (in prep)	

全期間で平均した熱潮汐波の南北風偏差（東西平均からのズレ）	
VMC/Venus Express	

GCM (AFES-Venus) at 70 km	

6LT	極向き風の中心は 13LT 付近。9LT,15LT より昼夜境界側では赤道向きの流れがみられるが，モデルでは昼面全体で極向き。	

18LT	

左図とは左右が逆であることに注意

52	

Kouyama et al. (in prep)	

まとめ	• GCMを利用して熱潮汐波の3次元構造を調べた。
• 卓越波長は緯度・高度で複雑に変化。
• 高度 70 km では…
• u’: 低緯度で半日潮，中高緯度で一日潮• v’: 一日潮
• w’: 低緯度で半日潮＋1/3, 1/4日潮，高緯度で一日潮• T’: 低緯度で半日潮，中高緯度で一日潮• VMCの解析結果とは 2–3LT 程度のずれ。
• 波の励起高度・鉛直伝播などに依存？
53	まとめ (2)	
• 雲層中には顕著な夜昼間対流 (一日潮) が存在し，スーパーローテーションと共存している。
• 夜昼間対流に伴う鉛直流は平均子午面循環の鉛直流の10倍程度。物質輸送 (紫外吸収物質) に影
響？
• 平均子午面循環は低緯度の直接循環と中高緯度の間接循環から成る (かなり複雑な構造)。	

54