\underline{木星現象論: 木星大気の水平構造目次 1}

木星現象論: 木星大気の水平構造

地球流体電脳倶楽部

1996 年 5 月 24 日

目次

1 ボイジャーの可視画像 2

2 水平温度構造 3 2.1 高度による水平温度構造の違い . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 水平温度分布の時間変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3 帯状平均温度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 風速分布 7 3.1 可視画像と風速分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.2 ジェットの位置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 参考文献 11

Abstract

木星表層大気の水平温度・速度構造を概観する.

\underline{2  木星現象論: 木星大気の水平構造  1 ボイジャーの可視画像}

1 ボイジャーの可視画像

図 1. ボイジャー探査機から得られた木星の可視画像 ( Smith et al. 1979 ). (a) はボイジャー 1 号 ( rotation 65 : 1979 年 2 月 1 日) , (b) はボイジャー 2 号 ( rotation 349 : 1979 年 5 月 23 日) による^{1}.

1rotation とはボイジャー 1 号が最初に撮影を行った 1979 年 1 月 6 日からの自転数である.

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\underline{木星現象論: 木星大気の水平構造  2 水平温度構造  3}

2 水平温度構造

2.1 高度による水平温度構造の違い

図 2, 図 3 はボイジャー 2 号の赤外放射観測から得られた水平温度分布である. 空間解像度は約 8^{∘} である. これらの図では射出角の補正をしていない. 図 2 では極方向に暗くなって行く. 図 3 では縁辺部の明るさが穏やかである.

●可視画像との対応

• もっとも暖かい部分は 15^{∘}S〜15^{∘}N . 可視画像で見たときには暗い赤道バンドに対応する位置である.

• 20^{∘}N〜35^{∘}N, 20^{∘}S〜35^{∘}S がまわりより相対的に温度が低い. 可視画像で見たときには明るいゾーンに対応する位置である.

• 大赤班図 3 中 23^{∘}S, 105^{∘}W に冷たい領域が存在する. 可視画像の大赤班に対応する位置である. 図 2 では同じ位置に目立った構造は見られない^{1}.

• 13^{∘}N, 215^{∘}W に暖かい長細い領域が見られる. 可視画像での spot に対応する.

しかし, 他の多くの温度分布は可視画像との対応がつかない.

●水平温度傾度は赤道–極間で数 K 程度である. 世の中ではこれをもって木星は温度が一様であると思っているようである (例えば Flaser 1986 ).

1なんとなくまわりより冷たいようにも見える.

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\underline{4  木星現象論: 木星大気の水平構造  2 水平温度構造}

図 2. ボイジャー 2 号の赤外放射観測から得られた波数 226cm^{−1} の^{2} 輝度温度の水平分布. 高度約 800 mb の温度を表していると考えられる. ( Hanel et al. 1979 )

図 3. ボイジャー 2 号の赤外放射観測から得られた波数 602cm^{−1} の^{2} 輝度温度分布. 高度約 150 mb の温度を表していると考えられる. ( Hanel et al. 1979 )

2どの物質の吸収帯であるかは調べていない 96/05/24(地球流体電脳倶楽部)  /riron/genshou/jupiter/suihei/suihei.tex

2.2 水平温度分布の時間変化

図 4 はボイジャー 1 号の赤外放射観測から得られた水平温度分布である ( Hanel et al. 1979 ). 図 3 の約 4 ヵ月前の温度分布である.

大まかな温度分布は図 3 と変わっていない. 違いの見られる点を列挙する.

●全体的に 1K 図 3 の方が温度が高い. これはボイジャー 2 号の温度補正誤差が原因と考えられる.

●大赤班に対応する冷たい領域が図 3 と異なる.

●赤道南側の局所的に暖かい領域に変化が見られる.

図 4. ボイジャー 1 号の赤外放射観測から得られた波数 602cm^{−1} の輝度温度分布. 高度約 150 mb の温度を表していると考えられる. 図 3 の約 4ヵ月前にあたる. ( Hanel et al. 1979 )

2.3 帯状平均温度分布

図 5 はボイジャーの赤外放射観測から得られた高さ 150mb での帯状平均した温度分布である.

図 5. ボイジャーの赤外放射観測から得られた帯状平均温度分布. 上はボイジャー 1 号 ( 1979 年 3 月 ) , 下はボイジャー 2 号 ( 1979 年 7 月 ) のデータである ( Flassr 1986 ).

\underline{木星現象論: 木星大気の水平構造  3 風速分布  7}

3 風速分布

図 6 はボイジャー画像の雲の動きを追って得られた平均風速である^{1}.

図 6. ボイジャー画像の雲の動きから得られた平均帯状流の緯度分布. 左側のグラフは 1979 年 2 月末 ( ボイジャー 1 号 ), 右側のグラフは 1979 年 7 月初め ( ボイジャー 2 号 ) の画像による. 両グラフの相関係数は 0.986 である. ( Ingersoll et al. 1981 )

1図 5 の温度分布と比較してみよ /riron/genshou/jupiter/suihei/suihei.tex  96/05/24(地球流体電脳倶楽部)

\underline{8  木星現象論: 木星大気の水平構造  3 風速分布}

○練習問題 : 図 5 の温度分布から計算される風速とどの程度数字があうか? 温度風バランスの式を用いて計算してみよ. また, ロスビー数 ε = \frac{U}{fL}, Rhines parameter (乱流の空間ス

ケール) l^{−1} = \sqrt{\frac{β}{2U}} はどの程度か?

\underline{解答例}^{2}

中緯度 (20^{∘}), 緯度幅 5^{∘} で温度差 5K として温度風バランスの式に当てはめると, 鉛直シアーの強さは

\begin{aligned}\frac{∂u}{∂z} = \frac{g}{fT} \frac{∂T}{∂y} & = & \frac{23.2}{2 × 1.758 × 10^{−4} sin 20^{∘} × 110} · \frac{5}{2π × 5/360 × 7.13 × 10^{7}} \\ & = & 1.42 × 10^{−3}(sec^{−1}) \end{aligned}

例えば対流圏界面 (100mb) で風速が 0 であると仮定としてスケールハイト (H_{p} 〜18km) 程度低い所での風速を見積もると

u = \frac{∂u}{∂z} × H_{p} = 1.42 × 10^{−3} × 18 × 10^{3} = 25.56(m · sec^{−1}).

ロスビー数は中緯度 (30^{∘}), 木星半径 Rを長さのスケールに選ぶと

ε = \frac{U}{2Ω sin 30^{∘}R} = \frac{100(m · sec^{−1})}{2 × 1.758 × 10^{−4}(sec^{−1}) sin 30^{∘} × 7 × 10^{7}(m)} = 0.0081

Rhines Parameter は中緯度 (30^{∘}) で

l^{−1} = \sqrt{\frac{2Ω cos 30^{∘}}{R} \frac{1}{2U}}
= \sqrt{\frac{2 × 1.758 × 10^{−4} cos 30^{∘}}{7.1 × 10^{7}} \frac{1}{2 × 100}}
= 1.46 × 10^{−7}m^{−1}
= \frac{1}{6.85 × 10^{6}m} = \frac{1}{6.85 × 10^{3}km}

6.85 × 10^{3}km は緯度にして約 5^{∘} に相当する.

2シリーズ ‘木星大気の子午面構造’ も参考にせよ.

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3.1 可視画像と風速分布

図 7 はボイジャー画像の雲の動きを追って得られた平均風速^{1}, およびそれに関係する諸量を可視画像と重ねて描いたものである.

図 7. ボイジャー画像の雲の動きから得られた平均風速分布. 画像は rotation 357 のものである. I は相対的な輝度分布, N はベクトル ( データ ) の数である. ( Limaye et al. 1982 )

1Limaye et al. 1982 は Ingersoll et al. 1981 の結果が雲の動きの追い方, 雲の選び方などを変えると結果がどう変化するかを調べた.

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3.2 ジェットの位置

表 1 はボイジャーの画像から得られたジェットの位置と過去の観測により得られているジェットの位置を比較したものである.

●図 6, 表 1 よりジェットの位置は時間的に変化が小さいとされている.

表 1. 過去の観測によるジェットの位置とボイジャー画像によるジェットの位置の比較 . 1 は 1898〜1948, 2 は 1946〜1964, 3 は 1962〜1970 の観測結果による. 4 と風速の値はボイジャーの結果による. ( Ingersoll et al. 1981 ).

\underline{木星現象論: 木星大気の水平構造  4 参考文献  11}

4 参考文献

Flasar,F.M., 1986 : Global dynamics and thermal structure of Jupiter’s atmosphere. Icarus, 65, 280-303

Hanel,R., Conrath,B., Flasar,M., Herath,L., Kunde,V., Lowman,P., Maguire,W., Pearl,J., Pirraglia,J., Samuelson,R., Gauter,D., Gierasch,P., Horn,L., Kumar,S., Ponnamperuma,C., 1979 : Infrared observations of the Jovian system from Voyager 2. Science, 206, 952-956

Ingersoll,A.P., Beebe,R.F., Mitchell,J.L., Garneau,G.W., Yagi,G.M., Muller,J.-P., 1981 : Interaction of eddies and mean zonal flow on Jupiter as inferred from Voyager 1 and 2 images. J. Geophys. Res., 86, 8733-43

Limaye,S.S., Revercomb,H.E., Sromovsky,L.A., Krauss,R.J., Santek,D.A., Suomi,V.E., Collins,S.A., Avis,C.C., 1982 : Jovian winds from Voyager 2. I. Zonal mean circulation. J. Atmos. Sci., 39, 1413-32

Smith,B.A., Soderblom,L.A., Beebe,R., Boyce,J., Briggs,G., Carr,M., Collins,S., Cook,A.F.II, Danielson,G.E., Davies,M.E., Hunt,G.E., Ingersoll,A., Johnson,T.V., Masursky,H., McCauley,J., Morrison,D., Owen,T., Sagan,C., Shoemaker,E.M., Strom,R., Suomi,V.E., 1979 : The Galilean satellites and Jupiter : Voyager II imaging science results. Science, 206, 927-950

謝辞

本稿は 1989 年から 1993 年に東京大学地球惑星物理学科で行われていた, 流体理論セミナーでのセミナーノートがもとになっている. 原作版は竹広真一による「木星現象論」 (90/05/01) であり, 林祥介によって地球流体電脳倶楽部版「木星現象論」として書き直された (96/06/23). 構成とデバッグに協力してくれたセミナー参加者のすべてにも感謝しなければならない.