火星ダスト循環研究のレビ
火星ダスト循環研究のレビューと今後と今後
ISAS/JAXA/
小郷原 一智2011/08/30 WTK-online

なぜ火星でダストか？
• 大気中に豊富に存在し、時空間変動が大きく、しかも熱源となる。
• 熱的に励起される波動にはもちろん、大気大循環にも大きく影響する。

Smith et al. (2002)

ダストと関連する大気場：今日の目次• 過去、現在の衛星による観測▫ 温度の子午面分布、波動観測
温度の子午面分布 波動観測
▫ ダストの子午面分布観測▫ ダストストームの分布
ダストスト ムの分布

• ダストストームの研究▫ 背景ダストについて
背景ダストに いて▫ 観測▫ 理論、モデル理論
デ• 足りないもの、MELOS大気オービター

衛星による観測（ダスト、温度etc）
衛星 測器

軌道 軌道傾斜角

周期

物理量
温度

VO 1 Infrared Thermal Mapper～40°～1sol

VO 2 Infrared Thermal Mapper～80°～1 sol～90°～2 h

MGS Thermal Emission Spectrometer

MO円

Mars Orbiter Camera

可視光撮像Radio Science温度ThThermall Emission
E i i Imaging
Ii SystemS t円

MRO Mars Climate Sounder円～90°～90～2 h

温度 ダスト
温度、ダスト～90°～2 h

温度、ダストMars Color Imager
MEx

温度、ダストPlanetary Fourier Spectrometer

可視光撮像
楕円 ～90°～7 h

温度、ダスト過去 現在の衛星による観測
過去、現在の衛星による観測

温度の子午面分布• MGS/TESによる温度観測（Banfield
MGS/TESによる温度観測（B fi ld ett al.,l 2003）• MRO/MCSによる温度観測（McCleese et al., 2010）

latittude

温度(MGS TES)に見られる波動

Banfield et al.
(2004)
East longitudeダスト(MRO MCS)の子午面分布
Log10(Dust density-scaled opacity)の子午面分布
午布（McCleese et al, 2010）

ダストストームの分布• MGS MOC:Cantor et al. (2001)• MRO MARCI:Cantor et al. (2010)▫ ダストストームは発生しやすい地域がある×××
××××●：local dust storm ×：regional dust storm××

ダストストームには発生しやすい時期もある (MGS MOC)
ダストストームには発生しやすい時期もある。(MGS
latitudee

北半球0200300

Longitude

latitude

100

150

200

250

300

350

400

450

350

400

450nnumber

Ls

150

200250300

Ls• Wang et al. (2005)

Curvilinear feature（ダストor雲）の分布:（ダスト 雲）の分布
Wang et al. (2011)
南半球

Ls=90--270

全データ

Ls=270--90ここまでのまとめ• 全球ダストストームマップ▫ Cantor et al. (2001)• 両半球中高緯度のfrontal
両半球中高緯度のf t l featureマップ
f t マップ▫ Wang et al. (2011, 2005) etc.
▫ Storm trackと場所、数ともに相関あり• 低緯度は？
▫ あまり研究されてない。
▫ 観測されている限りではLocalなものは少ないようだ。
観測されている限りではL lなものは少ないようだ• Frontal でないものは？
▫ Cantor et al. (2001)• のこる疑問▫ 極冠の縁でlocal～regional stormは毎年よく観測される。
▫ ダストはなくならないのか？1年もしくはもっと早く戻ってくる？
ダストはなくならないのか？ 年もしくはも と早く戻 てくる？
▫ そもそも、たいして移動しない？

ダストスト ムの研究ダストストームの研究火星のダスト
数密度
N(r)• Mars Pathfinder/IMPの観測から粒径分布を推測した。
0.8 3μmにおいて、• 0.8～3μmにおいて、変形ガンマ関数にうまくフィットするようにした。しかし、それ以外は研究によってバラバラ。
バ• 大きな粒子と小さな粒子 量は未だ不明
粒子の量は未だ不明。

Tomasko et al. (1999)

Radius (μm)

背景ダストについて• 常時存在している薄い（と言っても、地球よりは濃い）ダスト。
ダスト• 具体的な数値（e.g.光学的厚さ）でもって 背景ダストとイさ）でもって、背景ダストとイベントの間に線が引かれているわけではない。
るわけではな 。

背景ダ背景ダストの時空間変動
時空 変動• MGS/TESM /9.3μm
9ダスト光学的厚さ

Imamura and Ito (2011)

背景ダスト• あくまで可視や赤外で見たときの「背景」。

▫ 0.1μmクラスのダストがもっとたくさんあるかもしれないし、なダがくさ あれなないかもしれない。

• 供給源はダストデビルだとよく言われる。

▫ 根拠はおそらく、Newman et al. (2002a,b), Basu et al. (2004)▫ ダストデビルパラメタリゼーションを導入し、うまく調節すると、背景ダストの分布や季節変化を作れた。
背景ダストの分布や季節変化を作れた
 300km x 300km以下のことを全部ダストデビルに任せた？

• 観測的には、実はよくわからない。

▫ Balme and Greeley (2006)：地球と火星のダストデビルのレビュー論文▫ Balme et al. (2003b)：2つの盆地で観測されたdust devil track
densityから「ダストデビルだけでは背景ダストを維持するフラックスを説明できない」▫ Ferri et al.
al (2003)：MPF着陸地やAmazonisでは、ダストデビル(2003)：MPF着陸地やAmazonisでは ダストデビルによるフラックスは、背景ダストを維持するために必要な値よりひとけた以上大きい。

ダダストストームの発生、拡大機構の研究
発 、拡大機構 研究• Local dust storm▫ 単純設定な数値計算▫ 最近の観測• Regional dust storm▫ ”storm track”におけるregional dust stormと傾圧擾乱▫ 南半球におけるcurvilinear featureと傾圧擾乱▫ Passive dustのラグランジュ的移流計算• Global, Planet-encircling dust storm▫ Smith et al.
al (2002);Martin 1974;Cantor 2007の発生拡大消失レポート▫ Regional dust stormとTele-connection▫ GCMのなかのglobal
GCMのなかの l b l dustd storm最近のlocal dust storm• 極冠の縁周辺におけるlocal dust storm▫ 多発地帯（Cantor (2007)(2007), Cantor et al.
al (2001)）

Malin et al.
(2008)ABC

D

Olympia Planitia(Dune)

台風なのか？
極低気圧なのか？

EFCantor et al.
(2010)

Local dust storm• Gierash and Goody (1973)▫ 台風モデル説
 Regional dust storm以上のダストストstorm以上のダストストームにも適用を試
ムにも適用を試みる。

その後なぜか衰退しかし、最近復活• Rafkin (2009)▫ Mars RAMS (MRAMS)を使って数値シミュレ(MRAMS)を使って数値シミュレーションション

Regional dust storm• 北半球のStorm trackで頻発▫ およそ同じ拡大経路▫ 前線状構造を有することが多い。
前線状構造を有することが多い• 南半球でもStorm trackでも発生• 全部が全部Storm
全部が全部Stt kというわけでもないtrackというわけでもない。
• 一つのソースから供給か？
それとも巻き上げ領域の拡大か？

Storm trackにおけるfrontal dust storm• 前線状のRegional dust storm多発地帯

Hinson and Wang (2010)

Regional dust stormの発生は、Frequency, cyycles per sol• モードの変化と同じタイミング。

Ls(deg) in MY27

Hinson and Wang(2010)

C ili
Curvilinear
ffeatureの分布（南半球）：の分布（南半球）：
Wangg et al. (2011)()• Curvlinear featureは移動性擾
乱の活動度と相関あり。

Regionalなfrontal dust stormの再現（？）• Passive tracerのラグランジュ的移流実験• 潮汐+傾圧波+タルシス東側のboundary currentがうまく合わさると 赤道に向かって北風領域と、赤道に向かって北風領域（”Window”）が現れる。
Wang et al. (2003)

南半球でcurvilinear featureの再現（？）• Passive tracerのラグラ
ンジュ的移流実験• 波数3の東進モード（傾圧波）がフ ラメント状圧波）がフィラメント状の構造を作る。
• 平均場（zonal平均場（mean +stationary wave）や潮汐だけではうまく作れない。
Wang et al. (2011)

Global, planet-encircling dust storm• 有名なものは、▫ 1956, 1971, 1973, 1977, 2001年
年▫ ランダム？

• もっとも有名で、注目されているものはもも有名
注 されるも▫ 2001年• 定義があいまい▫ 空間的な大きさ▫ 光学的厚さMartin 1974
1971

1973

2001年• Hellas北側から発生• いくつかのregional
dust stormが時を同じくして発生拡大
沈静化 結果的に広沈静化。結果的に広範囲にダストがいきわたる。
わたる（Cantor 2007）
Smith et al. (2002)

テレコネクション（？）
タルシスで地表面応力が上昇し、2が発目のダストストーム発生。
1発目とマージ。
Standing waveの位相が東にずれる。腹がちょうどタルシスに重なる。

Hellas北東部でダストストームが大規模化
diurnal tide と diurnal Kelvin modeの重ねあわせでstanding waveが存在している。（らしい）

Montabone et al. (2008)

Brighhtness Tem
mperature (K)Regional, global dust stormの数値計算
数値計算

Ls

• Basu et al. (2006)▫ 強い風が吹くとダストは舞い上がる、ダストは無限にある光学的厚さ

計算機内で発生した
global dust storm• ダストソ
ダストソースは小さくロバスト
スは小さくロバスト▫ Hellas北側• 複数の場所でダストが巻き上がる。
▫ 極冠の縁▫ マリネリス渓谷の東端• 個々のダストの広がりは移流（私見）Basu et al. (2006)

ダスト放出量まとめカテゴリ

観測的研究

数値的研究

L lLocalHl k メカニズムによる成記念撮影、発生地点分布、発生季節分布、記念撮影
発生地点分布 発生季節分布 Hurricane-likeメカニズムによる成・時間発展がわからないので、標準的・台風クラスの大きさのみサイズ分布。
長（Gierashand Goody 1973; Rafkin 2009）
モデルがない。
（Cantor et al., 2001;2010, Wang et al., 2005）

R i l Storm
Regional
S
trackにおける拡大メカニズム研究。
kにおける拡大メカニズム研究
S
Storm
trackにおける1例の再現kにおける1例の再現（Wang et al., 2003,2007; Hinson and Wang 2010）

・もっぱら中緯度の前線状ストーム発生地点分布（北半球）。
発生や拡大が、大気場（温度分布）・発生や拡大が、大気場（温度分布）（Cantor（et al.,, 2010;; Cantor 2007;; Hison and Wand2010）と関連づけられていない
発生地点分布（全球）（Wang et al., 2003）。

・Passive dust移流計算
前線状構造の再現（Wang et al.,・ GCM
で作れたはよいが、2011））
データ解析はしていない
Localでロバストなソースから発生（Basu et al., 2006）（Cantor et al., 2001）

Globalポ
発生拡大消失レポート（Martin 1974; Smith et al., 2002; Cantor 2007）。
・発生や拡大が、大気場（温度分布）といくつかのregionaldust stormのマージ
関連付けられていない（Cantor 2007）

背景ダスト

各地域のダストデビル観測（Balmeet al., 2003b;Ferri et al. 2003 etc）
・ダストデビル自体のメカニズムは、よ
時間平均された水平分布
時間平均された水平分布、季節変化
季節変化
くわかくわかっている。
る（Smithet al. 2001,2004）
・全球的な供給量までたどり着かない。

ダスト巻き上げパラメータに敏感な再現計算。いくつかのregional
・GCMで作れたはよいが、デーduststormのマージ
タ解析はしていない（N（Newmanet al.,l 2002
2002ab;b BasuBet al.,l 2006）

ダストデビルパラメタリゼーションを調整すると、モデル内で自律的・本当に納得してよいのか？
本当 納得よか？にそれっぽい背景ダスト分布、量になった。
（Newman et al., 2002ab; Basu et al., 2004）

足りないもの：
ダダスト関連現象の一般的性質
関連現象
般的性質
• Micro scale▫ 各地域、各現象別（dust devil, 対流etc）のダスト巻き上げ量• LocalL l scalel▫ 時間発展観測による平均的な性質の把握
周囲 大気場相関推測▫ 周囲の大気場との相関メカニズムの推測• >=Synoptic scale▫ 時間発展観測による平均的な性質の把握▫ 内部の巻き上げ▫ 周囲の大気場との相関メカニズムの推測• 全体▫ 周囲の大気場との相関メカニズムの推測▫ 地域別季節別の背景ダスト供給量、そのメカニズム▫ ダスト除去過程

e. g. 台風e. gg. 黄砂
甲斐（2008)、黄砂の科学• 気圧の谷が来たときによく黄砂が発生する。

MELOS大気オービターでは、常時モニタリングを提案• 大気場とダストを同時に、連続的に、かつ定常的に監視し続けることが必要• ダストイベント、背景ダスト両方の輸送プロセスを推測• シミュレーションとデータ同化• 地球の気象学の後追いではあるが、問題解決の手
気象学 後追あ が解順をある程度参考にできるのは楽。
• 背景ダストの供給量やその分布も知りたいが、アイディア不足。
• そろそろ小郷原の脳内ストックも尽きてきた。

以上。
以上