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火星大気大循環の 数値シミュレーション

火星大気大循環の 数値シミュレーション. 高橋芳幸 共同研究者 林祥介 （神戸大学） 小高正嗣 （北海道大学） 大淵済 （地球シミュレータセンター）. 話の構成. 計算機シミュレーションによる火星大気の研究について紹介します . はじめに 火星 / 火星表層環境 我々の問題意識 火星大気大循環モデル シミュレーション結果 まとめ. はじめに. T=1 地球日. T1.03 地球日. R M 3391 km. R E 6371 km.  25.2 .  23.4 . はじめに：火星.

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火星大気大循環の 数値シミュレーション

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Presentation Transcript

  1. 火星大気大循環の数値シミュレーション 高橋芳幸 共同研究者 林祥介 （神戸大学） 小高正嗣 （北海道大学） 大淵済 （地球シミュレータセンター）

  2. 話の構成 • 計算機シミュレーションによる火星大気の研究について紹介します. • はじめに • 火星 / 火星表層環境 • 我々の問題意識 • 火星大気大循環モデル • シミュレーション結果 • まとめ

  3. はじめに

  4. T=1 地球日 T1.03 地球日 RM3391 km RE6371 km 25.2 23.4 はじめに：火星 • 太陽―火星間距離 1.5 AU • 大きさは地球の約半分 • 自転周期、地軸の傾きは地球とほぼ同じ

  5. 火星大気/表層環境 • 大気主成分 • CO2 > 95% • 大気質量 • 地球大気の 1/100 • Ps  6-8 hPa • 寒冷・乾燥した大気／地面 • 平均地面温度 220 K (-53 ℃) • 液体の水がない 図. Hubble space telescope が観測した火星

  6. 図 Mars Pathfinder が観測した火星表面

  7. 火星“気象”の特徴 • 大気量の変化 • 大気中のダストの存在/ダストストームの発生

  8. 火星“気象”の特徴 • 大気量の変化 • 大気中のダストの存在/ダストストームの発生

  9. 火星“気象”の特徴 • 大気量の変化 • CO2の凝結/昇華 • 季節変化 > 20% 太陽光 図 Mars Global Surveyor が観測した南極冠

  10. 火星“気象”の特徴 • 大気量の変化 • CO2の凝結/昇華 • 季節変化 > 20% • 地球の場合, 例えば台風に伴う気圧変化は 5% 程度 図 Mars Global Surveyor が観測した南極冠

  11. 火星“気象”の特徴 • 大気量の変化 • CO2の凝結/昇華 • 局地循環の形成 • 大きな温度差 太陽光 図 Mars Global Surveyor が観測した南極冠

  12. 火星“気象”の特徴 • 大気量の変化 • 大気中のダストの存在/ダストストームの発生

  13. 火星“気象”の特徴 • 大気中のダストの存在/ダストストームの発生 • 火星の大気中にはダストが常に浮いている 図 Mars Pathfinder が観測した火星表面

  14. 火星“気象”の特徴 • 火星では頻繁にダストストームが発生 図 Mars Global Surveyor が観測した火星のダストストーム 図 OrbView-2 衛星が観測した黄砂

  15. 火星“気象”の特徴 図. Mars Global Surveyor が観測したダストストーム

  16. 火星“気象”の特徴 • しばしば全球規模ダストストームに発達 • ダストの放射効果（太陽放射遮蔽など）によって温度が 20-40 K 変動 図 Hubble space telescope が観測した全球規模ダストストーム

  17. 疑問・問題意識 • 大気循環構造に関する問題 • そもそも火星の大気の温度・循環はどのようなっている? • 大気の温度は何度? • どのような風が吹く? • ダストに関する問題 • どのような時にダストストームが発生するのか？ • どのような時にダストが地面から巻き上げられるのか？ • どのような時に全球規模ダストストームに発達するのか？ • 全球規模ダストストームは毎年発生するわけではない。 • これらの問題を調べたい.

  18. 地球大気の流れ

  19. 研究手段 • 方法の一つは, 観測. • 望遠鏡を使って火星を観測 • 探査機を火星に送って観測 岡山天体物理観測所 188 cm 反射望遠鏡 http://www.oao.nao.ac.jp/public/telescope/ ハッブル宇宙望遠鏡 http://hubblesite.org/gallery/spacecraft/06/

  20. 研究手段 • 方法の一つは, 観測. • 望遠鏡を使って火星を観測 • 探査機を火星に送って観測 火星周回機 http://mars.jpl.nasa.gov/mro/gallery/artwork/mars_orbiters.html

  21. 研究手段 • 方法の一つは, 観測. • 望遠鏡を使って火星を観測 • 探査機を火星に送って観測 • 別の方法は, 計算機シミュレーション / 実験 • 物理法則に基づいて数値モデルを構築し, 計算機上で 「”仮想”火星（惑星）」 を再現. • 天気予報・気候予測も同じようなモデルを用いた計算結果に基づいている.

  22. シミュレーションモデル

  23. 火星全球の風速, 温度, 物質（ダストなど）の全球 3 次元分布を計算. 様々な物理過程を考慮. 流体としての大気の運動, 放射, 乱流, … 惑星を格子点に区切って, それぞれの格子点での値を求める. 火星大気大循環モデル 大気大循環モデルにおける格子点配置の模式図 [地球シミュレーター研究開発センター, http://www.es.jamstec.go.jp/]

  24. 流体としての大気の流れを支配する物理法則・方程式系流体としての大気の流れを支配する物理法則・方程式系

  25. 火星大気大循環モデルで考慮している過程 • 火星大気を表現する上で重要な多くの物理過程含む • 放射過程（CO2、ダスト） • 乱流過程 • 地表面過程 • ダスト巻上げ/重力沈降過程 • CO2大気の凝結/昇華過程による大気量変動 図. 火星大気大循環モデルで考慮される過程の模式図。

  26. 火星の地形

  27. 地球シミュレータ概要 • 5120 ベクトルプロセッサ • 8 AP/node  640 node = 5120 • ピーク性能 40 Tflops

  28. 計算結果

  29. 計算される地面温度 • 地面温度分布

  30. 地面気圧の年変化 Viking Lander と比較 モデルと観測の比較 Figure 4. Daily mean surface pressure at Viking lander 1 site: GCM simulation (green) and Viking lander 1 observation (red) [Lee et al., 1995].

  31. モデルと観測の比較 • 極冠の年変化 • Viking の観測との比較 Figure 5. Zonal and diurnal mean CO2 ice mass density (color). The polar cap edge observed by Viking is plotted as solid line [Pollack et al., 1993].

  32. 計算される火星大気循環 • 大気温度分布

  33. 計算される火星大気循環 • 大気温度＋風分布

  34. 計算される火星大気循環 • 風分布＋渦の強さ • 渦の強さ：渦度

  35. 火星の大気循環 • 大きな日変化, • 大きな緯度変化, • 山の裏側での渦の発生, • 中高緯度では温帯低気圧が発達, • 地球と似ている • 低緯度では小さな渦がたくさん発生, • 地球の雲対流のようなもの ?

  36. 計算されるダスト巻上げ • ダスト, 温度, 風分布

  37. ダストの巻き上がりやすい地域

  38. 地球の冬における降水量分布2003 年 12 月, 2004 年 1 月, 2 月

  39. マリネリス渓谷におけるダストの巻き上げ 特にマリネリス渓谷の北側斜面が重要

  40. マリネリス渓谷でのダスト巻き上げ過程 • 子午面循環と斜面風（下降流）の重ね合わせが強風の原因 • 実際, 当該領域でのダスト巻き上げは夜中の時間に起こっている. 斜面風模式図 子午面循環模式図

  41. まとめ • 地球とは異なる特徴を持つ火星の大気の流れと, 火星におけるダストの巻き上げ過程を調べるために, コンピュータシミュレーションを行っている. • 火星の大気の流れは, ある程度地球のそれに近いかもしれない. • しかし, 日変化が非常に大きく, それに伴い, たくさんの渦が発生しているかもしれない. • ダストは色々なところで巻き上げられる. • 目立つものは温帯低気圧に伴う巻き上げイベント / ダストストーム • その他, 地形に伴う循環によってもダストが巻き上げられている.

  42. 温度子午面 • 火星, 地球

  43. 結果 • 一年を通しての極冠の成長・衰退

  44. まとめ • 火星におけるダスト巻き上げ過程を調べるために、地球シミュレータと AFES を利用した高解像度火星大気大循環シミュレーションを計画中。 • モデル性能はまぁまぁ（？） • T159L48 (∆x45 km, 鉛直 48 層) では • ベクトル化率 99% • 並列化率 99.9% • しかし、データサイズは問題 • 解像度 T79L24 (∆x90 km) でテストシミュレーションを実施 • 前線構造や、高い山の風下での渦の生成が表現された。 • これらの循環はダスト巻き上げ、ダストストーム発生に重要な役割を果たしている可能性が示唆された。 • 今後はより高解像度での実験を予定。

  45. ダスト巻き上げ量解像度依存性FT319L96 - FT79L96 （高解像度－低解像度） 特にマリネリス渓谷の北側斜面が重要

  46. 結果 • ダストの巻き上げ • 温帯低気圧が重要 • 温度も載せる? • 渦度は難しいだろう

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