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日本惑星科学会誌Vol. 29, No. 1, 2020

一番星へ行こう！
日本の金星探査機の挑戦 その41
～LIRの新しい可能性～
神山 徹1, 福谷 貴一2, 今村 剛 3,（要旨）中間赤外線カメラ( L I R )のデータ解析技術の進展から，L I Rのデータに埋め込まれている様々な情報が得られるようになってきました．例えばスーパーローテーション維持機構に重要な「熱潮汐波 」の全球的な構造を3 次元的にとらえることに成功しています．また画像の低ノイズ化にも成功し，あかつきの悲願だった金星の夜の風速分布も手に入りつつあります．金星到着以降，巨大山岳波の発見など驚きの画像を送り続けているL I Rの新しい展開についてご紹介します．

1. LIRによる金星観測持に重要な大気波 動があるのですが，熱潮汐波は赤道から極域，また昼・夜両面を覆う全球的な構造

中間赤外カメラ，L I Rでは8-12μmの赤外線を用を持ち，過去の探査ではその全貌をとらえることがい，対 象からの熱放 射を利用して観測を行います．

困難でした．あかつきの持つ赤道軌道と昼・夜の区

このためL I Rでは金 星自身から放たれる熱放 射を別なく観測が行えるL I Rの組み合わせにより，熱潮観測することができ，加えてこの波長帯では太陽光汐 波の全 球的な構造を観測的に捉えることが金星の反射は十分暗いことから，金星を昼・夜別なく観探査の歴史上はじめて可能になりました．

測することができます(図1)．雲頂高度の観測に関し

このように雲頂高度というある特定の高度において, 太 陽光の反 射を利用するU V IやI R 1, I R 2では ,て熱潮汐波の全球探査が可能となりましたが，大気データは昼面のみに制限されることから，あかつきの現象は当然高度方向にも広がりを持ち，熱潮汐波が搭載する5つのカメラのうちL I Rだけが金星の昼・の働きを理解するためには3 次元的な探査が求めら

夜の区別がない観測データを提供可能です．

れます．あかつきでは「電波掩蔽 」観測により，電波また，P ioneer VenusやVenus Ex pres sなど過が通過する緯度・経度に対して高度方向の情報を取去の極軌道衛星とは異なり，あかつきは赤道軌道を得しているものの，より広範囲の3 次元情報の取得周回しています．このためあかつきは赤道を中心としは大気現象の理解に役立ちます．て両半球に広がる現 象の観測を得意とします．たとこのような課題があり，ミッションチームでは金星

えば太陽光による雲の加熱を励起源とする「熱潮汐雲から放射される熱放射がどのように宇宙空間まで波 」と呼ばれる，スーパーローテーションの生成・維到達するか，放射伝達計算に基づき詳しい議論を行いました．議論の成果としてL I R単体でも(限定され1.産業技術総合研究所 人工知能研究センター
2.東京大学大学院 理学系研究科
3.東京大学大学院 新領域創成科学研究科
t.kouyama@aist.go.jp

た高度範囲であるものの)高さ方向の情報が得られることが認識されました．本記事ではこの成果を活用し，熱潮汐波による温度場の3 次元構造を明らか

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図1. 2015年12月7日に同じタイミングで取得された(a) UVI，(b)LIR観測画像．LIR画像中の実線は赤道，白点線は昼夜境界線を示す．LIRは金星雲層から発せられる熱放射を観測するため，昼・夜両面の情報が得られる．にした結果を報告するとともに，さらにL I Rのノイズかけの厚みが 変わることになります( 図2a)．この効低減処理により，金星雲頂高度における昼・夜両面果により出射角ごとにL I Rが観測する高度が変化しの風速構造を得た成果について紹介します．

ます．図2bではどの高度が L I Rによってより観測さ2. LIRデータ解析の新たな展開
2.1

観測高度の出射角依存性を利用した，LIRによる大気3次元観測

L I Rでは熱赤外波長を扱います．この波長は金星大気を深く透過できるものの，金星を分厚く覆う雲れるかの指標となる寄与関数を，いくつかの出射角について示しています．直下観測条件では最も深い
高度の情報まで得られる一方，出射角が大きくなるにつれてその高度が上層にシフトしていく様 子が分かります．寄与関数の広がる効果により重なる高度幅あるものの，直下視と出射角60 °では実効的に3k mほど高度方向に差のある情報が得られると見積もられています [2]．

により散乱を受けるため，L I Rでは主に金星雲層高出射角ごとにL I Rデータを区別することができれ度から射出される熱放射が観測されることになりまば，異なる高度の情報 が 得られることになります．

す．この熱放射は単一の高度から射出されるものがちょうど良いことに同じ出射 角を持 つ 領 域は金 星観測されるわけではなく，雲の散乱の程度に合わせディスク上で同心円状に分布し，出射角が大きくなるある幅を持った高度範囲の熱放射が観測されることほど半径が大きくなり(図2c)，出射角ごとにデータをになります．放 射 伝 達 計 算によりL I Rでは高度 60 -区別することが可能です．つまり2次元センサである75k mの範囲から射出される熱放射が積分されたもL I Rから様々な高度の情報が得られることを意味しのを観測すると見積もられています [ 1]．ています．もともとL I Rでの観測の特性として昼・夜

このように L I Rでは金 星雲層の上部 高度を観 測

区別なく全球的にデータが得られることは分かってします．一方で，金星は全 球をすきまなく雲が覆ういましたが，さらに高度方向にも情報が得られる特ことから，熱放射が射出される向きによって雲の見性が認識され，L I R単体でも3 次元的な情報が抽出24

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図2. (a) 出射角の違いによって観測高度が変わる概略図．eは出射角を示す．もし雲の密度がどの高度でも一定とすると，光路長の変化に合わせ観測可能高度は1- coseに従って上昇する．(b) 出射角0°，45°，60°における寄与関数の高度分布．(c) LIR画像中での出射角45°，60°に相当する領域(白線)．Kouyama et al [2]より抜粋．

可能という測器としての新たな描像が得られていま効かず，他の構造に対して相対的に強調される形にす．

なります．事実 L I Rでは大小さまざまな定在波構造

2. 2

LIR画像の低ノイズ化による模様追跡の検出に繰り返し成功しています [ 5]．
では本当に高度方向にもスケールの小さい小規模L I R観測の別の観点として，軌道投入以前に予想擾乱の情報は L I Rでは検出できないのでしょうか．

された以上にL I R画像に小規模な雲の擾乱構造が結論としてはL I R画像の温度分解能を向上させるこみられない，という事情がありました．事前に行われとにより，その検出ができました．L I Rの温 度分 解ていた地 上観測の研究成果 等から，L I Rでも紫外能はノイズ成分によって決まっています [6]．そのあ

波長でみられる細かな模様のような小規模な大気のらわれ方はランダム的であり，シンプルに画像を重乱れが観測されると期待されていました[ 3] が，実際ね合わせることで統計的により減少させることが可には小規模な擾乱による温 度の乱れをL I R 画像で能です．一方で単純に画像を重ね合わせるのではな

識 別することは困難でした．これは2.1章で 示した

く，L I R 画像を緯度 経度 展開した L 3プロダクト[ 7]ようなL I R が 持 つ 10k mの幅の寄 与関数による効を用い，スーパーローテーションとともに動く座標上果が影 響していると考えられています．寄与関数のにおいて画像の重ね合わせを実施しました．これに幅分，高度方向に情報が足し合わされ，高度方向によりスーパーローテーションによって移流される成分

小さな構造をもつような温度擾乱はその振幅がキャのみが強調されることになります(地形固定 成分もンセルされ，L I Rのもつ温度分解能 (ΔT= 0. 3 K )を除去できる)．結果，期待した通り温度分解能が向上下回ってしまうためです．逆にL I Rによってはじめてし，目視においても相関などの統計処理においても同定された地形固定の「定在波 [4] 」にとってはこの雲模様の識別性が改善しました(図3 [8] )．

特性は有利に働きました．定在波は鉛直波長が 100

この成果によりついにL I Rによる大気擾乱の追跡k mにもなると予想され，大気下層から雲層までつなが可能となり，これまで世界でまだ誰も成功していがった構造を持つことから鉛直積分の効果はあまりない，雲上層高度 ( 65 -70k m)における昼・夜の区別

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図3. 重ね合わせによるノイズ低減手法の流れとその効果．のない風速分布の導出が可能となりました．

3. 観測成果
3.1

熱潮汐波による温度擾乱の全球構造

れ，ローカルタイムが小さくなる方向に半日潮汐成分の位相が変化する様が確認され (図 5)，同様の高度を観測した電波掩蔽観測 [ 9]と良い整 合 性を示していました．この位相関係は下層で励起された熱潮汐波が上方に向かって伝搬している様を示すものであり，熱潮汐波が少なくとも定性的にはスーパーロー

2.1章で紹介した通り，L I R 観測高度の出射角依テーションを加速している証拠をとらえたと考えられ存性と，あかつき赤道軌道 上からの全 球観測の組ています．このような観測事実は理論研究に有益なみ合わせにより，熱潮汐波の構造が (雲上層高度に情報として活用が検討されています．

限定されるものの) 3 次元的に得られました．まず図4では出射角60°に着目し(代表高度 : 69 k m)，2016

3. 2

昼と夜とで異なる南北風の向き

年10月から2019 年1月まで，3金 星年以 上のL I R 画

2. 2 章で示したように，スーパーローテーションに像を平均して得られた熱 潮汐 波 構造を示していま

よる大気の移動を考慮しながら画像を重ね合わせる

す．南北両半球とも赤 道から中緯度 帯まで 波数 2，ことで，スーパーローテーションに乗って，あるいは半日潮汐成分の構造が卓越し，緯度45°より高緯度

スーパーローテーションに近い速度で移動する模様

帯では波数 1，一日潮汐成分の構造が明瞭になる様のみが強調されます．1時間おき，あるいは2 時間お子が見られています．

きに取得されたL I R画像を昼側10 時間，夜側 9 時間

このように両半球にわたり，ローカルタイムに欠け分の平滑化幅を持って重ね合わせた結果を図 6に示のないデータセットが得られたのは L I R が初めてでしています．昼面，夜面ともに目視でも確認できるほす．さらに1金星年ごとに熱潮汐波構造の調査を行っ

ど雲模様が明瞭になり，昼 側で雲模様が赤道からた結果，振幅，位相どちらも時間変化が小さく，安極向きに発 散していくさまが 確認される一方，夜側定して存在することが確認されました[2]．

では逆に極から赤道に収 束する模 様の動きが 確認

次に異なる出射角ごとにデータを平均し，高度にされました[8]．

よる構造の違いが調査されました．赤道での輝度温

このような南北風速の波数 1構造が 存在すること度プロファイルを位相角ごとに表 示してみると，出は，熱潮汐波の理論的研究から予想されていました

射角が大きくなるにつれ，つまり高度が高くなるにつ(たとえば [ 10] )．しかし紫外波長観測では観測範囲

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図4. LIRによって初めて同定された熱潮汐波の全球構造(出射角60°のデータを利用)．3金星年分のLIR画像を平均処理することで導出．熱
潮汐波は太陽光加熱を励起源とするため，その構造が固定されている金星地方時―緯度座標系において平均処理を行った．

図5. 複数の出射角を用いて導出した赤道上空での温度プロファイル(実線)．点線は波数2成分のフィッティング結果を示す．高度による位相変化を見やすくするため，金星の午前域に存在する温度極大位置にマークをした．

が昼側のみに限られるなど，過去の探査で観測的に確かめた事例はなく，L I Rにより初めて同定されました．ここまでは定性的な評 価ですが，波数 1構造の強度や昼・夜平均した際に残る全球平均としての南北風の強さ(つまり子午面循環の真の強度 )について，定量的な調査がまさに今行われています．

4. まとめ
本記事では最近目覚ましい発展のあった，あかつ一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その41～LIRの新しい可能性～／神山 他

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図6. ノイズ低減処理により取得された昼・夜のLIR緯度経度展開画像．矢印は確認された雲模様の南北移動方向を示す．

き/ L I Rの解析手法について紹介するとともに，この[2] Kouyama, T. et al., 2019, Geophys. Res. Lett. 46,手法を用いて得られた観測成果，特にスーパーロー9457. doi: 10.1029/2019GRL083820.

テーションの維持・生成に深く関与していると考えら[3] Sato, T. M. et al., 2014, Icarus 243, 386.

れている熱潮汐波に関する成果を紹介しました．過[4] Fukuhara, T. et al., 2017, Nat. Geoscience 10, 85.

去の観測では得られなかった情報が手に入ったこと[5] Kouyama, T. et al., 2017, Geophys. Res. Lett. 44,

により，理論的研究がさらに進むものと期待されています．
また画像 重ね合わ せによるノイズ成 分を低 減 する処理そのものは一般的な処理であるものの，長くミッションに参加しているメンバー(また長くあかつきデータを見ているはずの世界中の研究者 )では雲模 様を効果的に抽出する手順にまでは到達できま

12098. doi: 10.1002/2017GRL075792.
[6] Fukuhara, T. et al., 2011, Earth Planets Space 63,1009.
[7] Ogohara, K. et al., 2017, Earth Planets Space 69,
167.
[8] Fukuya, K. et al., 2019, In proc. EPSC-DPS2019,397.

せんでした．画像 重ね合わせに関する成果は新しく[9] Ando, H. et al., 2018, J. Geophys. Res. 123, 2270.

ミッションに参加したメンバーがフレッシュな視点で[10] Takagi, M. et al., 2018, J. Geophys. Res. 123,試行した結果であり，それが世界初の成果につながりました．思い込みのない新しい視点をミッションに加え続けることの大切さもこの研究成果から再認識しています．

参考文献[1] Taguchi, M. et al., 2007, Advanced Space
Research 40, 861.

335. doi: 10.1002/2017JE005449.