% 表題: 2000-12-14 work 用資料
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% 履歴: 2000/12/13 杉山耕一朗

\chapter{はじめに}
\label{intro}


木星型惑星(木星・土星・天王星・海王星)は水素・ヘリウムを主成分とする分厚
い大気をまとっている. その表層は厚い雲によって覆われ, 外部からの観測によっ
て雲層の下をうかがい知ることは困難であり, 未だ成功していない. 外惑星のう
ち, 最も観測の進んでいる木星も例外ではない. 木星の表層はアンモニアの雲に
覆われており, 東西に延びる縞と帯, 大赤斑や白斑と呼ばれる渦等の特徴的な構
造が見られる.  そのような大規模の構造の中に, 小スケールの雲塊が発生・消
滅していることがガリレオ探査機の観測によって明らかにされている. しかしあ
まねく存在するアンモニア雲層のために雲層高度以下の観測は断片的にならざる
をえない. その雲層の下の温度構造, 物質の分布, 大気循環がどうなっているのか
については, 依然謎なままである.  \bigskip


木星型惑星の大気の循環構造を解明するには, 
(1)木星を地上観測もしくは探査機による観測, 
(2)理論的なシミュレーションからの予想, という方法がある. 
しかし前述したように, 地上観測やボイジャー・ガリレオの観測では
アンモニア雲層以下の領域の大気循環は明らかにされていない. 
複数の探査機によるアンモニア雲層以下の領域の観測が行われない限り, 
大気の循環構造は観測的に明らかにされないであろう. 
そのため現在は (2) のシミュレーションからの予想を行うことで
木星大気の循環構造を予想することが最も現実的である. 
シミュレーションの予想をもとに, 新たなる観測計画を立案できる可能性もあ
る. 
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木星大気のシミュレーションを行うためには, 大気の平均的な状態として断熱温
度減率と凝縮物質の鉛直分布とを把握することが重要である. 過去の木星型惑星
大気の断熱温度減率と凝縮物質の鉛直分布を計算した例として Atreya and
Romani (1985) がある.  彼らは熱力学関数 $S$ の保存式を理想気体の状態方程
式と潜熱・反応熱を用いて熱力学変数 $T$, $p$, n$_{i}$ の式として定式化し
た.  この定式化では空気塊において生じうる全ての化学反応を知る必要がある. 
しかし木星型惑星大気における化学反応の全容は明らかになっていない.  組成
の違う大気を考える場合には, 生じうる化学反応が変わるので, 数値コードを書
き換えねばならない.  そもそも平衡状態を仮定しているので, 化学反応に関す
る情報がなくとも断熱温度減率と凝縮物質の鉛直分布は計算できるはずである.
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そこで本研究では大気中で生じる反応式を考えずに済み, 
さらに大気組成を簡単に変更することのできる熱力学計算手法を検討する. 
そしてその手法を用いて大気の断熱温度減率と凝縮物質の鉛直分布
を計算する. 
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熱力学計算手法を開発するためには以下の点に関して検討を行う必要がある. 

\begin{itemize}
\item 大気の平衡状態をどのように記述するか.
\item 大気の断熱変化をどのように記述するか. 
\end{itemize}

それをふまえ, 以下の章では上記の 2 点について検討を行い, それぞれを
数値的に扱うための方法を開発する. 
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最後に本計算手法を用いて計算した
木星大気の断熱温度減率と凝縮物質の鉛直分布を Atreya and Romani (1985) の
計算結果や, ガリレオプローブの観測結果と比較する. 
それにより本手法の妥当性を検討する. 
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