Transcript 第一回
地球環境と気象 自己紹介 たかはし よしゆき • 名前： 高橋 芳幸 • 所属： 神戸大学 自然科学系先端融合研究環 • 専門： 惑星大気物理学 – 特に火星の大気のコンピュータシミュレーション. – 地球も少々. – いずれ他の惑星へ… . 何を話すのか？ • 地球を含む惑星の「気象」と「表層環境」を概 観. • それらを考える上で基礎となるいくつかの事 柄の解説. – 表層環境の大気や構造を支配する物理法則 – それに基づき,いくつかは数式・算数を使って解説. • 法則自体は地球に限らず他の惑星 （地球型惑星, 木 星型惑星, 天王星型惑星, 系外惑星） に適応できるも の. スケジュール（予定） • 8/27（水） – 3 限 (13:10-14:40) – 4 限 (14:50-16:20) イントロダクション 様々な惑星の大気 放射, 平均温度 • 8/28（木） – 1 限 (09:10-10:40) – 2 限 (10:50-12:20) – 3 限 (13:10-14:40) 大気の鉛直構造 1 （静水圧平衡） 大気の鉛直構造 2 （温度構造） 火星 参考書籍 • 一般気象学 [第2版], – 小倉義光 著， – 東京大学出版会, – ISBN: 4130627066 • 惑星気象学, – 松田佳久 著, – 東京大学出版会, – ISBN: 4130607332 この回の講義内容 • 地球を含む惑星の「気象」と「表層環境」を概 観. – 各惑星の気象現象・表層環境の特徴 • 地球はどんなところ? – どのような現象が起こっているのか? • 他の惑星はどんなところか? – 他の惑星ではどんな現象が起こっているのか? » 地球と同じことが起こっているのか? » 地球とは違うことが起こっているのか? 気象・気候 • 大気の流れにともなう現象 – たとえば, • • • • 雲, 雨, 雪, あられ, たつまき… 温帯低気圧, 移動性高気圧, 台風, … 梅雨前線, モンスーン, … 偏西風（ジェット気流）, 偏東風（貿易風）, … – 大気を「流体（連続体）」として考える • 大気の厚さ >> 分子の平均自由行程 • 大気や表層環境の長期間にわたる平均的な 状態 様々な惑星 • 地球以外の惑星も大気 を持つ – – – – – – – 水星 (?) 金星 火星 木星 土星 天王星 海王星 • 最近発見の相次ぐ系外 惑星にもあるだろう 惑星の内部構造と分類 • 岩石惑星（地球型惑星） – 金属鉄のコア＋岩石質のマントル（＋大気） • ガス惑星（木星型、天王星型惑星） – 木星型：岩石のコア＋ガス（大気） – 天王星型：岩石と氷のコア＋氷のマントル＋ガス（大気） 地球型惑星 • 地面がある – 固体表面を持つ • 幾何学的に「薄い」大気 – 「大気の厚さ」 << 惑星半径 木星型惑星, 天王星型惑星 • 内部では高い圧力によってガスが相転移（金 属化） • 幾何学的に「厚い」大気 – 「大気の厚さ」 ~ 惑星半径 地球型惑星の気象・表層環境 地球 • • • • • 半径 ???? km 自転周期 1 日 地表気圧 1 気圧 平均気温 15 ℃ 「大気の厚さ」 8.4 km • 大気組成(%) – N2(78), O2(21), Ar(0.9),H2O(0~0.2) 地球 • • • • • 半径 6378 km 自転周期 1 日 地表気圧 1 気圧 平均気温 15 ℃ 「大気の厚さ」 8.4 km • 大気組成(%) – N2(78), O2(21), Ar(0.9),H2O(0~0.2) （新訂 地学図表, 浜島書店, より引用） 地球大気の鉛直構造 温度で区分 • 熱圏 ：90 km ~ • 中間圏：50~90 km • 成層圏：10~50 km • 対流圏：0~10 km – 雲ができる層 （高度[km]） 90km 熱圏 中間圏 50km 成層圏 10km 0km 対流圏 200k 280K（温度[k]） Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1. 地球大気の流れ・気象 地球大気の流れ • 中緯度（ >30°) – 偏西風 – 渦状の雲 • 低緯度（ <30°） – 偏東風 – ブロック状の雲 地球の大気の流れの模式図 東西風分布とその季節変化 冬 春 10km 10km 0km 0km 南極 赤道 北極 南極 夏 10km 0km 0km 赤道 北極 秋 10km 南極 赤道 北極 南極 赤道 北極 水星 • 半径 2440 km • 自転周期 58 日 • 平均気温 180℃ – 昼側: - 183℃ – 夜側: 427℃ • 非常に薄い大気 – 10個/mm3 程度 • 約地球の 1 兆分の 1. – H, He, O, Na 水星の大気 • 地表面が外気圏界面 – 大気分子間の衝突頻度 より大気地面間の衝突 頻度のほうが大きい – 昼面で加熱され, 軽い分 子は熱的に散逸 H, He Na • 「流体的な」大気現象 は起こっていない – 大気の散逸問題を考え る上では面白い対象 昼側 夜側 火星 • 半径 3397 km – 地球の約半分 • • • • 自転周期 1 日 地表気圧 0.006 気圧 平均気温 – 53℃ 「大気の厚さ」 11 km • 大気組成(%) – CO2(95),N2(2.7), Ar(1.6) 火星大気の鉛直構造 （高度[km]） 一応、温度で区分 • 熱圏 ：120 km ~ • “中層大気”：~120 km 120km • “対流圏” ：0~5-10 km 熱圏 成層圏 – 変動が激しい 10km 0km 対流圏 200 （温度[K]) Seiff and Kerk, 1977: JGR, 30, 4364, Fig.15. 大気の渦, 波 • ダスト（砂）と水の雲によって可視化 – 地球の温帯低気圧に相当するもの（?） 東西風分布とその季節変化 • 温度分布から推定 秋 – 風は直接測れない • 冬半球は偏西風、夏半 球は偏東風 冬 – ハドレー循環+コリオリ の力 • 風速は 100 m/sec を 超える 春 南極 赤道 北極 火星に特徴的な現象 極冠の形成 • 大気の主成分である CO2 が冬極で凍る 北極冠 南極冠 特徴的な現象：ダストストーム 金星 • 半径 6051 km • 自転周期 243 日 – 公転周期とほぼ同じ – 地球とは逆向き • 地表気圧 90 気圧 • 平均気温 477℃ • 「大気の厚さ」 16 km • 大気組成(%) – CO2(96), N2(3.5), SO2(0.015) 金星大気の鉛直構造 (高度[km]) • 温度による区分ははっ きりしていない • 熱圏（冷圏）：100 km ~ • “成層圏”：60 ~ 100 km – 硫酸の雲が存在する領 域(50~70 km) • “対流圏”：0~60 km(?) – 高さとともに温度は減少 60km 0km 700k 200k (温度[K]) Seiff, 1983: in Venus, Arizona Press, 650, Fig. 24. 金星大気の流れ • どの緯度でも東風 – 予想と違う！ • 硫酸の雲のパターンが４日 で一周する • 自転よりずっと速い風 – 自転周期は 243 日 • 原因：よくわからない – 自転より速い風をどうやって 吹かせるか？ 金星大気の大気循環（予想） • 自転がゆっくり – 半年は昼、半年は夜 • 昼側から夜側への循環 が卓越する（？） 風の高度分布 （高度[km]） • 高度とともに東風が強 まる 50km • 昼夜でも変わらない – 緯度にもよらない （風速[m/s]） 0km 100m/s Schubert, 1983: in Venus, Arizona Press, 684, Fig. 9. 日本による金星探査 • 金星特有の大気の流 れの原因を探る. – 「Planet-C」 – 金星の気象衛星 – 様々なカメラで金星を観 測 • 2010 年打ち上げ予定 金星探査機（想像図） （http://www.jaxa.jp/projects/sat/plane t_c/index_j.html） 木星型惑星の気象 木星と土星 • 木星 – 半径 71542 km – 自転周期 9.9 時間 – 大気組成(%): H2(89.8),He(10) • 土星 – 半径 60268 km – 自転周期 10 時間 – 大気組成(%): H2(96.3),He(3.3) 木星大気の鉛直構造 • ３種類の雲の存在が予 想 圧力 – NH3, NH4SH, H2O – 土星にも存在 • 温度がわかっているの は成層圏と対流圏上部 のみ – NH3 の雲の下はほとん ど未知の領域 1 気圧 温度 http://www.seed.pro.or.jp/~kin/jupiter/yuseijin/ 木星大気の流れ • 東風と西風が南北方向に交互に縞帯構造 – 暗い領域を「縞」, 明るい領域を「帯」とよぶ – 赤外光では逆に見える(「縞」の方が明るい＝高温) • 多数の渦の存在 – 代表的なものは「大赤斑」 大気運動と内部構造 • 内部構造 – 外側に H2+He のガス層 • 途中で金属化 – 中心に岩石＋氷のコア • 大気＝外側の「ガス層」？ – 表面で観察される運動の「深 さ」はよくわからない – 説１：表面付近に限定 – 説２：ガス層全体に及ぶ 土星大気の流れ • 東西風の縞帯構造が 存在する – 縞帯の数は木星ほど 多くはない – 赤道付近の風速は 500 m/sec を超える • 極域に存在する六角形 状のパターン – ボイジャーの観測 (1980) 以来持続(?) 土星の東西風の分布 緯 度 東西風速(m/sec) (Ingersoll et al., 1984; 松田, 2000) 天王星型惑星の気象 天王星と海王星 • 天王星 – 半径 25559 km – 自転周期 17 時間 • 地球とは逆向き – 大気組成(%): H2(85),He(15),CH4(2) • 海王星 – 半径 24764 km – 自転周期 16 時間 – 大気組成(%): H2(81),He(19) 天王星と海王星の気象 • あまりよくわかっていな い • 天王星 – 数点の雲の追跡観測の み • 海王星 – 「大暗斑」や「白斑」の追 跡による風速分布の見 積り 天王星と海王星の東西風分布 天王星 海王星 緯 度 緯 度 東西風速(m/sec) (Alison et al., 1991;松田, 2000) 東西風速(m/sec) (Ingersoll et al., 1995;松田, 2000) 系外惑星の気象 系外惑星とは • 「系外惑星」太陽系外の惑 星のこと • 2008/01/26 現在で 228 個 が発見 • 特徴 – 多くのものが木星と同程度か それ以上の質量 – 軌道半径が小さい – 「ホットジュピター」 想像図 ホットジュピターはどんな惑星か? • 非常に高温 – 1000 K に達する – 岩石蒸気と雲（？） • 自転と公転が同期 – 数日で自転し, 公転 – 中心星にいつも同じ面を向け ている – 夜昼間対流？ • 謎が多い, これからの課題 （きっと面白いに違いない） まとめ • 惑星を持つ様々な惑星には様々な表層環境, 気象現象が形成. – 地球と似たものもある. – 地球では見られない特有の「おもしろい」「謎の」 現象もある. まとめ • 惑星を持つ様々な惑星には様々な表層環境, 気象現象が形成. – 地球と似たものもある. – 地球では見られない特有の「おもしろい」「謎の」 現象もある. • 以後の講義では, 主に地球を題材にするが, これら色々な惑星の大気を考える上でも役に 立つ考え方のいくつかを学ぶ. 気温の変化 IPCC(2007) 二酸化炭素濃度の変化 • CO2増加の原因は化 石燃料の利用 • ではなぜ, 大気中の二 酸化炭素の増加が温 暖化を引き起こす? （IPCC AR4 WG1 報告書 政策決定者 向け要約（気象庁訳）(2007)より引用） 地球型惑星 • 地面がある – 固体表面を持つ • 幾何学的に「薄い」大気 – 大気の厚さ << 惑星半径 462℃ 15℃ -55℃ 講義の内容 • • • 8月27日(水)3-4限、28日(木)1-3限 トピックス 放射 – 温室効果 • 静水圧平衡 – 熱力(断熱減率) • • • • 鉛直構造 パノラマ太陽系 大循環? 研究? • 東西平均断面 – ジェット気流 – 温度分布 – ハドレー循環 • Held • Schneider? 何を話すのか？ • 大気の運動や構造を支配している物理法則について – 天体の運動の場合には，リンゴが木から落ちる法則と同じ法則にし たがっている．（万有引力の法則） – 気象（大気の運動）は？・・・おそらく知らないでしょう • できるだけ平易に… するつもりで… 解説 • 物理に対するイメージ – 難解そうだが, とりあえずイメージから • 日常目にしている現象が，地球規模の流れと同じ物理法則 で説明される． • 積極的に数式を使う（たいした式ではないので安心してくださ い．）・・・数式の苦手な人は，論理を追いかけてください． 第一回 木星/土星大気の放射収支 太陽から吸収する熱＜惑星が放射する熱 • 地球では両者はほぼ等しい 内部熱源の存在を示唆 (W/m2) 地球 木星 土星 熱 流 量 緯度 (清水編, 1993; 松田, 2000) 内部構造と大気 内部構造 • 外側に H2+He のガス • H2O, NH3, CH4 の氷 からできたマントル • 岩石＋氷のコア 大気＝外側の「ガス層」