一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その42～超回転～／堀之内

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一番星へ行こう！
日本の金星探査機の挑戦 その42～超回転～堀之内 武1

1. はじめにの角運動量が，固体惑星のそれの最大値（即ち赤道地表面での値）よりも上回ることと，局所的には定金星探 査機あかつきの最大の目標は金星大気の義できます．それより小さな角運 動量は，どこかのスーパーローテーション（ 超回転）の解明でした．あ

緯度の地表面付近からの移流で簡単に作れます．例

かつきの観測結果が出始めて以来，プロジェクトマ

えば地球の中緯度のジェット気流は，角運動量の観ネージャーの中村正人さんは，会う人ごとに（という点から超回転ではないということになります．大域的のは大げさですが）「 それでスーパーローテーションには，全大気の角運動量を質量で割ったものと，赤はわかったんですか」と聞かれ続けたようです．

道地表面の質量当たりの角運動量を比較します．前

超回転そのものは半世紀以上前より観測されてま者のほうが大きければ，その大気はグローバルに超すが，その機構に観測から迫るのは難題です．過去回転していると言えます．金星大気では前者と後者の研究でまともに取り組めたと言えるものはありませの比が 10 程度です．同様な比を局所的にみると，赤ん．筆者自身があかつきのデータを使って超回転の道の雲頂付近（高度約 70 k m）にあるピークでは50研究を始めたのは2017年の秋でした．あかつきの観以上にもなります（自転の速さ1. 8 m /sに対し，風速測が 2015 年の12月に始まってから既に2 年近くたっが 100 m /s前後，即ち一周4- 5日）．ていました．データが溜まるのを待っていた面もありますが，できるかどうかわからないので先延ばしにしていた面もあります．なお，中村さんにもだれにも，2. 超回転を解明するって？

やってくれというプレッシャーはかけられてないこ

そもそも，観測から超回転を解明するってどういうとは断っておきます（ 居心地のいいチームです）．はことでしょう．超回転のメカニズムの問題は，どのよじめてみると，「これはいける」という感触がすぐ得うに出来て（ 成因），どのように維持されているかとられ，あかつきの科学ワーキングチーム会合で意気分けることができます．成因問題は，超回転がない揚々と報告しました．しかし，そこからの足固めには状 態からどうできるかという問題と捉えられていま時間がかかりました．やっとこの4月に論文を出版す

すが，ない状態は観測されていませんし，ない状態ることができましたので [ 1]，この場で報告させていが過去にあったかどうかもわからないので，仮想的ただきます．

な問題ともいえます．観測で直接扱いうる問題があ

大気の超回転とは，質量あたりでみた自転軸周り1.北海道大学 地球環境科学研究院

るとすれば，それは維持問題です．
維持問題は二つにわけて考えられます．一つは，(A) 4日循環と呼ばれる非常に強い超回転率を含む

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図1: あかつきの観測から提案されたスーパーローテーションの維持機構の模式図．文献1のプレスリリースより（クレジット：Planet- C projectteam）．金星の雲層の子午面循環（白い矢印）
による移流は，角運動量を一様化するように働きます．熱潮汐波は，それを補うように，水平および鉛直に角運動量を運び（赤い矢印），スーパーローテーションを加速するように働きます．熱潮汐波以外の波や乱流は，低緯度の雲頂付近では弱いながら潮汐とは逆に働き（青い矢印），中高緯度では別の重要な役割を果たします（水色の矢印．不安定による擾乱が子午面循環を短絡するように角運動量を運びます）．これらの組み合わせにより，子午面循環によるゆっくりとした極向きの熱輸送と，スーパーローテーションによる速い夜側への熱輸送が両立するシステムが形成されて，太陽からの熱が効率的に分配されます．

風速構造がどのように成り立つか，もう一つは，( B)で，一旦は分 解して考えるのが良いだろうというのそれが長期的に保てるか，です．金星の東西風は，が，筆者の考えです．観測だけでかなり取り組める

地表付近で弱く，高度とともに増加します．つまり，可能性があるのは(A)であり，( B)については，観測上 空で速くても，それに応じた摩擦が地面では働は補助的な手段とならざるを得ないでしょう．従っかない構造になっています．そこで，(A) 観測されるて，今回発表した論文 [ 1]で取り組んだのは(A)です．

大気内部の角運動量の分布が如何にして保てるか，その中の一部ですが，最も重要と考えられる点につ( B) 惑星表面における大気と地面の間の釣り合いはいて，幸いにもあかつきの観測から強力な制約を得どう実現されるかと，分けて問うことができるというることができました．上で述べた観測による制約可次第です．関わる時間スケールは(A)では短いところ

能性を考えると，あかつきの主目的はかなりの程度で100日のオーダー，( B)では少なくとも万日のオー達成できたと言えるでしょう．ただし，観測には限りダーとなります．もちろん二つの問題は独立ではありがあり，ベストを尽くしても不確定要素は残ることはませんが，鍵となる高度や時間スケールが異なるの申し添えておきます．

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3. 雲を追跡する

77星の縁を使って補正するマッピングプログラムが，より早い時 期から開発されています．両プログラムの金星の連 続画像から雲の動きを調べて風速を推実装を主に担ったのは，小郷原一智さんです．それ

定することは，古くは1970 年代のマリナー10 号のフを高木征弘さん，神山徹さん，樫村博基さん，佐藤ライバイ時の観測で実施されました[ 3]．その後，パ尚毅さんなどが 支えました（筆者の貢献は，データイオニア・ビーナス・オービター( PVO)，ビーナス・エ形式に関する助言などに限られています）．

クスプレス( V Ex) の長 期観 測に対しても実 施され，その傍ら，筆者は学生と共同で別の自動追跡法を多数の論文が出版されています．PVOまでは主に紫開発しました [6]．それは，通常は2 枚の画像を使う

外線で観測される雲頂の模 様の追 跡が行われまし

相互相関法を，多数の画像を同時に活用するようにた．V Exではそれに加え，近赤外の窓波長(~ 2μm)拡張したものです．通常の手法も含みますから，「取を使って，雲の下の大気の熱放射で照らされる雲のり入れて損はない」です．さらに，相関曲面の先鋭度影絵の追跡も行われています．これらの研究や電波に基づく精度評価指標を開発しており，結果のスク掩蔽観測より，超回転の風速分布や熱潮汐 波の構リーニングに有効なのは明らかでした．よってそれら造が調べられてきました．さらに近年，惑星規模のをあかつき用の雲追 跡プログラムに組み込むことをロスビー波やケルビン波と解釈される，従来は輝度提案しました．実装を担ってくれたのは，2015 年 4月で観測されてきた数日周期の波も，雲追跡風で捉えに宇宙研の研究員として採用された村上真也さんでられています [4]．

す．村上さんが論文をもとに再実装して組み込む間，さて，超回転のメカニズムを調べるには，角運動筆者のほうは相関曲面の複数のピークから候補を選量の輸送を定量する必要があります．それは，平均択する「緩和ラベリング法」の改良などの手法開発とからのずれの掛け算の平均による二次の効果を定プログラム実 装を行いました [ 7]．こうして，軌道投量することなので，精度要求が 格段に上がります．

入後の2016 年 初頭に，現在あかつきで使われてい2015 年12月の軌道投入の8カ月ほど前に行った，雲る雲追跡プログラムが出来上がりました．なお，村上

追跡に関する内輪の研究集会において，筆者は，水さんは，着任以来，あかつきデータ生成パイプライ

平スケール1000 k mの構造を誤差 2—3 m /s 以内ンの大黒柱として，上記マッピングプログラムの改良で捉えるという目標を提案しました．それまでの研やパイプライン運用など様々な役割を担っています．

究からすると，とんでもない数値です（それまでの研さて，最近になって，異なる時刻の雲追跡の結果究では，誤差の見積もり自体不明確でしたが）．

をラグランジュ的にトレースし比較することで，実際金星の雲追跡では，目視によるマニュアル追跡との不 確定性を導く手法を確立しました [ 1のオンライ相 互相関法などによる自動 追 跡が 使われてきましン補遺]．その結果，紫外画像による雲頂の雲追 跡た．過去の研究では，マニュアル追跡のほうが精度では，上記の研究会で提案した当初目標が実際にがよいと考えれてきましたが，追跡に適した特徴的達成できていることがわかりました．

な模様を慎重に選択するとまばらにしかデータが得られません（すると二次 効果の定 量が 難しくなり得ます）．あかつきプロジェクトでは，神山徹さんによっ4. 超回転の維持機構て改良された（おそらくそれまでの金星研究史 上最本題に入ります．東西方向の運 動方程式を緯度，良の）自動追 跡 [ 5]をもとにした追 跡プログラムが，気圧（＝鉛直 座標）を固定して東西に平均したもの

最初の金星到着( 2010年12月)前後より整備されてきは，ました．また，正確な雲追跡を行う前提として，画像変形オイラー平均と呼ばれる方程式です）．ここで，が金星上に正確にマップされている必要があります

は質量当たりの角運動量， は子午面循環の速度と表せます（ 気象学ではが，探 査機 本体から得られる姿 勢 情報はしばしば（ストークスドリフトと呼ばれる効果を含む），不十分です．あかつきも探査機の仕様上そうなので，密度のようなもの（実際には気圧に比例）， はエリ

こちらも神山さんの経験を踏まえて，画像に写る金アッセン- パーム( E P )フラックスと呼ばれる，渦角運

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動量輸送を表す項です．定常状 態では左辺がゼロて見積もりました．その結果，水平成分の収束と同なので，右辺の2 項の釣り合いが成り立ちます．論文程度の加速効果が見込まれるという結論になりまし[ 1] ではまず，これまでの観測データ（ 突入プローブた．一方，他の波や乱流については，見積もりは得による放 射 観測）をもとにシンプルな仮定を置いてられません．以 上は図1のようにまとめられます．狭の分布を大 雑把に見積もり，それに伴う南北の熱義のギーラッシュメカニズムにおける水平渦粘性の輸送が，宇宙からみた短・長波放射の差の緯度分布効果は，低緯度では角速度一様化とはむしろ逆に働を見積もりました．

いています．また，潮汐による運動量輸送は，期待

これを，雲追跡から得られる様々な大気擾乱にともされていた鉛直方向だけでなく，水平にも働いていと比較すれば，超回転がいかなるバランスて角運 動量のピークを再生する働きを担っていること概ね合うことを確認し，なうのもとに成り立っているかがわかります．とが特徴的です．ただし，潮汐による角運動量輸送

ただし，当然ながら，観測からこの項の全大気中の見積もりは，昼面での観測からは難しく，様々な角の分布が得られるわけではありません．そこで的を度から検討したとは言え，今後変わってくる可能性絞ります．それは，赤道域の雲頂付近にある のピーはあると考えられます．観測だけからできることはでクが如何にして作られているかということです．短波

きる限りしましたので，今後は数値シミュレーション

吸収の約半分は雲層で起きますので，雲層上部にはなどの助けを借りて研究する必要があるでしょう．

極向き，下部には赤道向きの子午面循環があります[ 1，2]．それは をラグランジュ保存的に移流するだ
けなので，中高緯度から戻った大気の を増やして5. 超回転の役割復活させる機構が必要になります．逆に赤道から離最後に，超回転の役割について触れておきます．

れる経路上で は減少しなければなりませんが，そそれは，昼面と夜面の間の熱輸送だと考えられます．

れは必然的に起こる順圧・傾圧不安定が担えますの

超回転以外の運び方として，太陽直下点とその反対で，低緯度での 再生に注目します．ギーラッシュに側とを結ぶ軸（自転軸とは直交）に対して対称な「夜は渦粘性が担うと仮定され昼間」対流も考えられます．しかし，そのような循環ます．特に，水平の渦粘性は，自転軸周りの角速度は子 午面循環同様，上下動を必 要とし，また水平を一様化するように働くため，移流で中高緯度に運には加速減速を必要とします．超回転のような円に（こばれる を低 緯度に戻す働きがあるとされます

沿った流れは鉛直運動を必要としないので，より速の働きによって，超回転をない状態から生成できまくなりやすいでしょう．ただし，東西流だけでは南北は大気の波の生成・散逸によってに熱が輸送できません．そこで，熱潮汐波など渦角も生じます．そこで，渦粘性でなく，熱潮汐波による運動量輸送を起こせる運動を介して，子午面循環と鉛直の角運動量輸送が重要であるという説もありま

東西循環を両立させられれば，広く水平に熱を行きす [ 9, 10]．はたして結果はどうだったでしょうか．

わたらせることができます．今回あきらかになったのよる理論 [8] では，す）．一方で，の水平成分は主に東西風と南北風の掛け算（東西方向の運動量の南北フラックス）からなります（もう一つ項がありますが，着目している領域では小さいと考えられます）．これを，熱潮汐波とその他の波または乱流にわけて見 積もりました．すると前者はは，そのような熱輸送システムのあり様の一つだと言えます．

引用文献

赤道向きに，後者はそれより弱く極向きに角運動量[1] Horinouchi，T. et al.，2020，
Science 368，405.

を輸送しているという結果になりました． の鉛直成

[2] Schubert，
G. et al.，1980，
J. Geophys. Res. 85，

分においては，低緯度においては東西風と鉛直風の掛け算の項が卓越すると考えられますが，観測から鉛直風は直接見積もれません．そこで熱潮汐波については，観測された振幅と波長から理論式に基づい

8007.
[3] Limaye，
S. S.，and Suomi，V. E.，
1981，
J. Atmos.
Sci. 38，1220.
[4] Kouyama，T. et al.，
2013，
J. Geophys. Res. 118，

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37.
[5] Kouyama，T. et al.，2012，
Planetary and SpaceScience 60，
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[6] Ikegawa，S. and Horinouchi，T.，
2016，
Icarus 271，
98.
[7] Horinouchi，T. et al.，2017，
Meas. Sci. Technol.
28，085301.
[8] Gierasch，
P. J.，
1975，
J. Atmos. Sci. 32，
1038.
[9] Fels，S. B. and Lindzen，R. S.，
1974，
GeophysicalFluid Dynamics 6，149.
[10] Takagi，M. and Matsuda，
Y.，
2007，
J. Geophys.
Res. 112，
D09112.

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