% 題名  木星現象論: 木星大気の水平構造
%
% 履歴  90/07/25  竹広真一
%       92/08/25  林祥介
%       96/05/24  林祥介        地球流体電脳倶楽部資源「木星現象論」へ

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\Dtitle{木星現象論: 木星大気の水平構造}   
\Dauthor{地球流体電脳倶楽部}
\Ddate[96/05/24]{1996 年 5 月 24 日}
\Dpath{/riron/genshou/jupiter/suihei/}

\begin{document}

%\pagenumbering{roman}
\maketitle
\tableofcontents
%\clearpage
%\pagenumbering{arabic}

\begin{abstract}
  木星表層大気の水平温度・速度構造を概観する.
\end{abstract}

%--------------------------------------------------------------------
\newpage
\section{ボイジャーの可視画像}

 
  \begin{center}
  \Depsf[160mm]{fig-prohibited/suihei-1.ps}
  \end{center}
  \begin{description}
    \item 図 1. ボイジャー探査機から得られた木星の可視画像
          ( Smith {\em 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
          \footnotemark[1].
  \end{description}
  \footnotetext[1]
    {rotation 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. }

%--------------------------------------------------------------------
\newpage
\section{水平温度構造}

  \subsection{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 $8^{\circ}$ 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.
  \vspace{5mm}
  
●可視画像との対応

  \begin{itemize}
   \item もっとも暖かい部分は
          $15^{\circ}\mbox{S}$〜$15^{\circ}\mbox{N}$ .
          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.

   \item $20^{\circ}\mbox{N}$〜$35^{\circ}\mbox{N}$, 
          $20^{\circ}\mbox{S}$〜$35^{\circ}\mbox{S}$ 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. 
        
   \item 大赤班\\
     図3 中 $23^{\circ}\mbox{S}$, $105^{\circ}\mbox{W}$ 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 \footnotemark[1]. 
     \footnotetext[1]{なんとなくまわりより冷たいようにも見える.} 
    
   \item $13^{\circ}\mbox{N}$, $215^{\circ}\mbox{W}$ 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. 
  \end{itemize}
  
  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. 
  \vspace{5mm}
  
●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
%  \footnotemark[1]
  と思っているようである (例えば Flaser 1986 ).
%  \footnotetext[2]
%    {温度傾度の大小の基準はなにか?}
  
\newpage

 
  \begin{center}
  \Depsf[160mm]{fig-prohibited/suihei-2.ps}
  \end{center}
  \begin{description}
    \item 図2. ボイジャー2号の赤外放射観測から得られた
          波数 $226 \mbox{cm}^{-1}$ の\footnotemark[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 {\em et al.} 1979 )
  \end{description}
  
  \vspace{20mm}

  \begin{center}
  \Depsf[160mm]{fig-prohibited/suihei-3.ps}
  \end{center}
  \begin{description}
    \item 図3. ボイジャー2号の赤外放射観測から得られた
          波数 $602 \mbox{cm}^{-1}$ の\footnotemark[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 {\em et al.} 1979 )
  \end{description}
  \footnotetext[2]{どの物質の吸収帯であるかは調べていない}

\newpage
  \subsection{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 {\em et al.} 1979 ).
  図3 の約 4 ヵ月前の温度分布である. 
  \vspace{5mm}
  
  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. 
  \vspace{5mm}
  
  ●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. 
  \vspace{5mm}
  
  ●大赤班に対応する冷たい領域が図3と異なる. 
  \vspace{5mm}
  
  ●赤道南側の局所的に暖かい領域に変化が見られる. 


  \begin{center}
  \Depsf[160mm]{fig-prohibited/suihei-4.ps}
  \end{center}
  \begin{description}
    \item 図 4. ボイジャー1号の赤外放射観測から得られた
          波数 $602 \mbox{cm}^{-1}$ 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 {\em et al.} 1979 )
  \end{description}

\newpage
  \subsection{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. 
 
  \begin{center}
  \Depsf[160mm]{fig-prohibited/suihei-5.ps} 
  \end{center} 
  \begin{description}
    \item 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 ). 
  \end{description}
  
%--------------------------------------------------------------------
\newpage
\section{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
    \footnotemark[1]. 
    \footnotetext[1]
      {図5の温度分布と比較してみよ}
   
    \begin{center}
    \Depsf[140mm]{fig-prohibited/suihei-6.ps}
    \end{center}
    \begin{description}
      \item 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 {\em et al.} 1981 )
    \end{description}
\newpage
   ○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 ${\displaystyle \varepsilon=\frac{U}{fL}}$, 
     Rhines parameter (乱流の空間スケール) 
       ${\displaystyle l^{-1} = \sqrt{\frac{\beta}{2U}}}$ はどの程度か?

    \begin{quote}
      \underline{解答例}\footnotemark[2]
      \vspace{5mm}
      
        中緯度($20^{\circ}$), 緯度幅 $5^{\circ}$ 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
        
        \[
        \begin{array}{lll}
          \displaystyle \frac{\partial u}{\partial z} = \frac{g}{fT}\frac{\partial
          T}{\partial y}
           & = & \displaystyle \frac{23.2}
                   {2 \times 1.758\times 10^{-4} \sin 20^{\circ} 
                      \times 110 }
              \cdot \frac{5}{2\pi\times 5/360 \times 7.13\times 10^7}\\
           & = & 1.42 \times 10^{-3} (\mbox{sec}^{-1})
        \end{array}
        \]
        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
        
        \begin{displaymath}
          u = \frac{\partial u}{\partial z} \times H_p 
            = 1.42 \times 10^{-3} \times 18 \times 10^{3}
            = 25.56 (\mbox{m} \cdot \mbox{sec}^{-1}).
        \end{displaymath}
        
        ロスビー数は中緯度($30^{\circ}$), 
        木星半径$R$を長さのスケールに選ぶと
        \begin{displaymath}
          \varepsilon = \frac{U}{2\Omega\sin 30^{\circ} R}
              = \frac{100 (\mbox{m}\cdot\mbox{sec}^{-1})}
                     {2\times 1.758\times10^{-4}(\mbox{sec}^{-1})
                       \sin 30^{\circ} \times 7\times10^7(\mbox{m})}
                      = 0.0081 
        \end{displaymath}
        
        Rhines Parameter は中緯度($30^{\circ}$)で
        \[
        \begin{array}{lll}
          l^{-1} 
            & = & \displaystyle \sqrt{\frac{2\Omega\cos 30^{\circ}}{R}\frac{1}{2U}}\\
            & = & \displaystyle \sqrt{ \frac{2\times1.758\times 10^{-4}
                                 \cos 30^{\circ}}
                              {7.1\times 10^7 } 
                         \frac{1}{2 \times 100} }\\ 
            & = & 1.46 \times 10^{-7} \mbox{m}^{-1}\\
            & = & \displaystyle \frac{1}{6.85 \times 10^{6}\mbox{m}}
              =   \frac{1}{6.85 \times 10^{3}\mbox{km}}
        \end{array}
        \]
        $6.85 \times 10^{3}\mbox{km}$ は
        緯度にして約$5^{\circ}$ に相当する. 
        \vspace{5mm}
        
    \end{quote}
        \footnotetext[2]
          {シリーズ `木星大気の子午面構造' も参考にせよ. }

\newpage
  \subsection{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
    \footnotemark[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.
    \footnotetext[1]
      {Limaye {\em et al.} 1982 は Ingersoll {\em 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. }
    
    \begin{center}
    \Depsf[170mm]{fig-prohibited/suihei-7.ps}
    \end{center}
    \begin{description}
      \item 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 {\em et al.} 1982 )
    \end{description}
    
\newpage
  \subsection{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. 
    \vspace{5mm}
    
    ●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. 
   
    \begin{center}
    \Depsf[150mm]{fig-prohibited/suihei-8.ps}
    \end{center}
 
    \begin{description}
      \item 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 {\em et al.} 1981 ). 
    \end{description}

%======================================================================
\newpage
\section{参考文献}

\begin{description}
  \item Flasar,F.M., 1986 : 
        Global dynamics and thermal structure of Jupiter's atmosphere. 
        {\em Icarus}, {\bf 65}, 280-303
        
  \item 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. 
        {\em Science}, {\bf 206}, 952-956

  \item 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. 
        {\em J. Geophys. Res.}, {\bf 86}, 8733-43

  \item 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. 
        {\em J. Atmos. Sci.}, {\bf 39}, 1413-32

  \item 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. 
        {\em Science}, {\bf 206}, 927-950
\end{description}
\vspace{2em}

%======================================================================

{\Large \bf 謝辞}
\vspace{1em}

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.

\end{document}
