惑星大気研究会：あかつき・金星ワークショップ (2016/03/28–29，神戸大学・CPS)

金星大気スーパーローテーションの理論と数値的研究
高木征弘（京都産業大学理学部）

スーパーローテーションの理論• 夜昼間対流メカニズム• 熱潮汐波メカニズム• 重力波メカニズム• 子午面循環メカニズム• 多重平衡解• 熱潮汐波＋子午面循環メカニズム夜昼間対流メカニズム• Schubert and Whitehead (1969)• Thompson (1970)• Takagi and Matsuda (1999, 2000)

Moving ﬂame mechanism
The speed of the ﬂame was 1mm/sec. In a steady state, themercury was rotaMng so rapidly
in a direcMon counter to that ofthe ﬂame, about 4 mm/sec.

Schubert and Whitehead (1969)

Thompson mechanism

Thompson (1970)

Takagi and Matsuda (1999, 2000)• 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

Takagi and Matsuda (1999)

Takagi and Matsuda (2000)

熱潮汐波メカニズム• Fels and Lindzen (1974)• Plumb (1975)• Pechmann and Ingersoll (1984)• Newman and Leovy (1992)• Takagi and Matsuda (2005, 2006, 2007)• Lebonnois et al. (2010, 2016 in revision)熱潮汐波メカニズム• 鉛直伝播する波の運動量輸送で平均流生成

太陽光吸収による加熱

金星大気中の太陽光吸収

Tomasko et al. (1980)

熱潮汐波による平均流Fels and Lindzen (1974)

Plumb (1975)

Pechmann and Ingersoll (1984)

熱潮汐波の空間構造

弱非線型モデルによる検証

Newman and Leovy (1992)

熱潮汐波に伴う水平風速

Newman and Leovy (1992)

熱潮汐波の鉛直構造
一日潮

半日潮

Takagi and Matsuda (2005)

熱潮汐波に伴う水平風速 (2)U+u’ at 70 km

v’ at 70 km

Takagi and Matsuda (2005)

熱潮汐波の鉛直伝播と運動量輸送

Takagi and Matsuda (2006)

重力波メカニズム• Hou and Farrel (1987)• 池田 (2007, 2011)

重力波メカニズム• 下層から上方伝播する重力波の臨界高度吸収により 0–45 km の平均流を生成・維持

Hou and Farrel (1987)池田 (2007)

重力波メカニズムの数値実験
重力波パラメタリゼーションなし

重力波パラメタリゼーションあり

池田 (2007)子午面循環メカニズム• Gierasch (1975)• Rossow and Williams (1979)• Matsuda (1980, 1982)• Yamamoto and Takahashi (2003a,b, 2004, …)• Lee et al. (2005, 2007)• Hollingsworth et al. (2007)• Yamamoto et al. (2009), Yamamoto and Yoden(2013)• Parish et al. (2011)• Lebonnois et al. (2013) →モデル間比較

Gierasch mechanism

Gierasch (1975)

子午面循環による運動量の上方輸送• W > 0 → MW > 0: 角運動量は低緯度で上層に輸送される。
• W < 0 → MW < 0: 角運動量は高緯度で下層に輸送される。

U: 東西流
M: 角運動量
W: 鉛直流松田 (2000)• M が低緯度でより大きければMW > 0 → 正味の角運動量が上層に輸送される。
• Gierasch (1975) は無限大の水平渦粘性を仮定

水平渦粘性の検証

Rossow and Williams (1979)

どちらも軸対象な強制を与えた場合

--> large heaMng

ClassiﬁcaMon of types of planetaryatmospheric circulaMon with ﬁnite νH• (D) Predominance of
direct circulaMon• (E) Thermal wind balance(geostophic) as in Earthand Mars
• (V) Thermal wind balance(cyclostrophic) as in Venus--> slow planetary rotaMon

Matsuda (1980)

水平渦粘性と子午面循環

Schubert et al. (1980)

GCMによる子午面循環メカニズムの検証

Yamamoto and Takahashi (2003b)

水平運動量輸送

Yamamoto and Takahashi (2003b)

ニュートン冷却による強制(kT = 1/25 day–1)

Lee et al. (2007)

加熱強度に対する依存性

Hollingsworth et al. (2007)

Parish et al. (2011)10年スケールの変動
UV

Parish et al. (2011)

Numerical simulaMon of the MMC
Williams (1988)

y-z distribuMons of streamfuncMon
RotaMonperiod:
1/8 days

2 days

1/4 days

4 days
NP60

30

EQ

1/2 days

8 days

1.0 days

16 daysNP

4/3 days

60

30

EQ

No rotaMon

多重平衡状態• Matsuda (1980, 1982)• Kido and Wakata (2008, 2009)• Yamamoto et al. (2009)

金星大気大循環の多重平衡状態

(1)
(3)
(2)
—→太陽加熱大Matsuda (1982)(1) 速い東西流をもつ安定定常解（スーパーローテーション）(2) 夜昼間対流をもつ安定定常解（直接循環）(3) 不安定定常解

(B) MulMple equilibirium states (circulaMonwith superrotaMon and direct circulaMon)• Kido reproduces mulMple equilibria predicted by
Matsuda in his GCM (Kido and Wakata(2008,09)).
Case I starts with moMonless iniMal condiMon
Case II starts with fast zonal winds

Kido and Wakata (2009)

Two diﬀerent distribuMons of zonal wind under
the same condiMon in Kido and Wakata (2009)case I

case II波に関する研究••••
••
•
•
•••
•
••

Covey and Schubert (1982)
Young et al. (1984)
Matsuda (1984)
Young et al. (1987, 1994)
Smith et al. (1992, 1993)
Yamamoto and Tanaka (1997)
Yamamoto (2001)
Yamamoto (2003)
Iga and Matsuda (2005)
Takagi and Matsuda (2005b, 2006b)
Kouyama et al. (2015)
Yamamoto and Takahashi (2012, 2015)
Ando et al. (2016)
Takagi et al. (in prep)下端（下層）での波強制に対する応答

Covey and Schubert (1982)

2つの波によるY字模様の形成

時間とともにY字の方向が逆転する。
Covey and Schubert (1982)

CFH による波応答の強化

Smith et al. (1993)

Cloud Feedback HeaMng (CFH)

Smith et al. (1993)

波と子午面循環による超回転の維持

Yamamoto and Tanaka (1997)

下層から伝播する4日波による赤道加速
波なし

波あり

Yamamoto and Tanaka (1997)

4日波と5日波によるY字模様の形成

Yamamoto and Tanaka (1997)

下端での波強制に対する応答

Yamamoto (2001)

臨界高度付近での非線型効果

Yamamoto (2001)

CFH による対流からの重力波の強化
CFH なしCFH ありYamamoto (2003)

球面浅水系の不安定モード

Iga and Matsuda (2005)

不安定化した Rossby-Kelvin モード

Iga and Matsuda (2005)

波の検出: VMC/Venus Expressデータの解析• スーパーローテーションが遅いとき → 赤道ケルビン波
速いとき → 中緯度ロスビー波

Kouyama et al. (2015)

金星版 QBO

Kouyama et al. (2015)

地形性重力波の鉛直伝播

Young et al. (1987)

金星大気の傾圧不安定

f2: Day probe at 30N

Young et al. (1984)

傾圧不安定波の成長率

Young et al. (1984)

傾圧不安定のパラメータ依存性

Takagi and Matsuda (2006b)

GCM による傾圧不安定の数値実験
剛体回転の場合

弱い中緯度ジェットの場合

Sugimoto et al. (2014a)

GCM 実験にみられる波活動

Sugimoto et al. (2014b)

傾圧不安定波の鉛直構造

Sugimoto et al. (2014b)

傾圧不安定波の水平構造

Sugimoto et al. (2014b)

極渦のGCMシミュレーション（平均場）

東西波数1，周期5.5日の赤道波を下端で強制Yamamoto and Takahashi (2015)

GCMで再現された極渦

Yamamoto and Takahashi (2015)

周極低温域 (cold collar) の再現

Ando et al. (2016)

熱潮汐波と残差子午面循環
熱潮汐波あり熱潮汐波なしAndo et al. (2016)

Zonal wind of the thermal Mde at 70 km

The diurnal (semidiurnal) Mde ispredominant in mid/high (low)laMtudes.

morningeveningplanet rotaMon

Meridional wind of the thermal Mde at 70 km
70 km

morningeveningplanet rotaMon

Temperature of the thermal Mde at 70 km

morningeveningplanet rotaMon

雲追跡による推定

雲頂高度での風速分布（雲追跡風との比較）
uv

uv

planet rotaMon

Newman and Leovy (1992)

ueveningv
morningv

uv
Basic ﬁeld:
Jets at 30N

Basic ﬁeld:
Jets at 60NuBasic ﬁeld:
Solid body rotaMon

planet rotaMon

The GCM simulaMon results are consistent withthe linear theory. (Takagi and Matsuda 2005)

VerMcal wind of the thermal Mde at 70 km
70 km

Global scale Y-shape paterns areformed by the thermal Mde.

Upward moMons are
predominant in downstream
region of the subsolar point.

morningeveningplanet rotaMon[m/s]AlMtude [m]VerMcal wind of the thermal Mde
at the equator

The semidiurnal
Mde propagates
upward anddownward fromhere.

morning

Note that the verMcal winds associatedwith the thermal Mde is much stronger
than those with the mean meridional
circulaMon.

eveningEquatorial dark region downstream ofthe subsolar point, related to the thermal Mde?

planet rotaMon

Titov et al. (2012)

雲層高度の平均子午面循環（オイラー平均）南北流

鉛直流

Thermal Mde and short-period waves
WMde (Z=70 km)

It seems that the short-period
disturbances (Y- and bow-shapestructures, convecMve cells, and gravitywaves) are related to the verMcal wind
distribuMon of the thermal Mde.
Are these disturbances generated by(nonlinear) interacMons between thezonal wind and the thermal Mde, assuggested by Belton et al. (1976)?

熱圏の大気大循環• Bougher et al. (1986, 1988, 1990, 2006, 2015)• Bougher and Borucki (1994)• Brecht and Bougher (2012)• Hoshino et al. (2012, 2013)

金星中間圏・熱圏の観測
高度

平均東西流

夜昼間対流

> 70 km

高さとともに減少?

温度分布からの推定

97 km

132±10 m/s?

Shah et al. (1991), CO
吸収線

95 km

40±15 m/s

40±15 m/s

Lellouch et al. (1994),
CO 吸収線

105 km90±15 m/s

90±15 m/s

Lellouch et al. (1994),
CO 吸収線110±10 km

25±15 m/s

120±30 m/s

Goldstein et al.
(1991), CO2 吸収線

大気光の時間変動（地上観測）

Ohtsuki et al. (2010)

VIRTIS/Venus Express の観測
高度 95-100 km

Piccioni et al. (2009)金星中間圏・熱圏の大循環• 平均東西流と夜昼間対流が時間的・空間的に大きく変動している可能性がある。
• 夜光の強度変化から、大気大循環の変化の時間スケールは数時間〜数日。
• VIRTIS/Venus Express の観測結果は平均東西流の存在に否定的。
• 中間圏・熱圏に平均東西流はあるのか、ないのか？

金星上層大気のモデリングの現状
東西風分布

温度分布

下層（70 km 以下）のスーパーローテーションを考慮しなけ
れば、強い夜昼間対流の卓越を予想 (u~250 m/s)。

Hoshino et al. (2011)

O2 夜光の強度分布
U = 0 m/s at 80 km

U = –40 m/s at 80 km

モデル大気下端 (80 km) で –40 m/s のスーパーローテーションを仮定した場合は、3.5LT 程度の朝側へのシフトが見られる。
Hoshino et al. (2013)

視線速度 (LOS velocity) の比較

左図： CO の吸収線観測によって測定した視線速度の分布。
右下の図：大気大循環モデルの結果を左図と同様にプロットしたもの。（高度約 110 km, 下端でスーパーローテーションを与えた場合）

Hoshino et al. (2013)
Moullet et al. (2012)