紫外波長撮像観測データに基づく 金星風速場の解析

1. 紫外波長撮像観測データに基づく金星風速場の解析 中村研D2 神山 徹

2. 高度(km) 100 80 60 40 20 100 300 温度(K) 0 500 700 0 イントロダクション：金星大気 乾燥断熱温度勾配 金星大気に投下されたプローブが観測した大気温度の高度分布[Seiff, 1983] CO2 を主成分とする厚い大気 　→　地表面での大気圧 90 atm　　　 温室効果により 地表面では気温400度以上 全球を覆う厚い硫酸の雲　高度 40 km - 70 km に渡って存在

3. 金星大気へ投下したプローブで観測した東西風の高度分布[Schubert, 1983] 金星大気スーパーローテーション 自転速度 : 1.4 m/s 地表面での太陽光加熱コリオリ力 雲層での太陽光加熱コリオリ力が弱い 地球と異なるシステムで維持されている大気循環 全球に渡るスーパーローテーション

4. 子午面循環? 熱潮汐波赤道ケルビン波・ロスビー波 大気の粘性 気象システム 地球 時間スケール 金星 時間スケール 時 年 時 年 秒 分 週 月 秒 分 週 月 日 日 偏西風貿易風 スーパーローテーション 10000km 傾圧不安定(低気圧・高気圧) 空間スケール 1000km 台風 前線 100km ? 10km 積乱雲 1km 竜巻 100m 1m 乱流・渦 現象を知りたい → 雲の模様・風速

5. 紫外波長を用いた撮像観測 2006 5/20 20:50Venus Express / VMC 昼面太陽光反射光観測 935 nm1010 nm 365 nm 513 nm 未知の吸収物質(SOx ?) 下層雲の濃淡を反映?[高木ら @ 2009連合大会] はっきりとしたコントラスト(10 % 以上の明るさ変化) 弱いコントラスト(3 % 以下の明るさ変化)

6. 特徴追跡を用いた風速分布の推定 直接観測　　　　　　　　　　：点の探査宇宙空間からの撮像観測：面の探査 2006 5/20 相補的 惑星規模の気象現象を捉えるのに適している Venus Express/VMC 西 東 雲の模様を追いかけることで背景の大気の流れを推測が可能 100 -100 Voyager 1979

7. リム観測/雲の高度観測 雲の上にあるヘイズ層を観測高度方向に大気の特徴的なスケールを知ることができる Venus Express/VMC Galileo/SSI 雲頂の高度変化鉛直流の向き背景大気の温度変化 鉛直に大気を眺める

8. 研究目的 撮像観測によって得られた雲画像から惑星規模の大きな金星大気循環を探る ・雲の特徴追跡→風速分布 ・リム観測 → 上層大気の鉛直構造 熱潮汐波・赤道ケルビン波・ロスビー波 ケルビン波によるものと考えられる風速分布Galileo探査機の撮像画像から求めた平均東西風速からの変動成分分布

9. N N 250 km S S 66,000 km Galileo / Venus Express Solid State Imaging system (SSI) 昼面の太陽光反射光 Venus Monitoring Camera(VMC) 可視赤外分光撮像器(VIRTIS)下層大気からの熱放射

10. 解析手法/解析結果 • 解析前処理- 地理緯度の導出- カメラ歪み補正の必要性 (未解決) • リム観測- 雲の高さについて • 雲の特徴追跡- 原理- 金星雲頂高度での風速分布

11. 現在考察中 光学歪み補正 Limb フィッティング Sub-pixel 単位でLimb 推定 解析手法：地理座標の導出 軌道情報 姿勢情報 1 pixel のズレ → 15 km ～ 100 km のズレ → 風速に与える誤差 4 m/s ～25 m/s0.1 pixel のズレ → 誤差 < 3 m/s

12. フィッティングの様子 2006 5/20 16:36 Ri Ri = 127.4 [pix] 2006 12/5 6:55 Ri = 1648 [pix]

13. リムフィッティング精度評価 太陽光入射角、衛星への出射天頂角を考慮した模擬惑星画像 計算値 与えた値Center X: 128.065 128.000 Y: 127.998 128.000 R: 100.174 100.227 100倍の画素数でオーバーサンプリングした後、画像を1/100に圧縮 0.1 pixel 以下の誤差

14. 見かけの雲の高さとカメラ歪み 光学中心 Venus Express 25軌道 441画像 d r 見かけの金星半径 θ 予想される雲高度 [km] 金星半径 (6051.8 km) D2 [pix2] (円弧の光学中心からの距離)2の平均

15. 見かけの雲の高さとカメラ歪み 光学中心 Venus Express 25軌道 441画像 d r 見かけの雲の高さ θ [km] D2 [pix2] (円弧の光学中心からの距離)2の平均

16. 解析手法：地理座標の導出 現在考察中 軌道情報 姿勢情報 光学歪み補正 Limb フィッティング Sub-pixel 単位でLimb 推定 1 pixel のズレ → 15 km - 100 km のズレ → 風速に与える誤差 4 m/s ～25 m/s0.1 pixel のズレ → 誤差 < 3 m/s

17. リムでの見かけの雲の高さ 2006 12/5 6:55 散乱光の明るさ ≒ 雲粒の数に比例 散乱光 高度が高くなるにつれて exp(-x/H)で減少する 反射光 H : スケールハイト [km] (雲のスケールハイト) = 0.85 ×(大気のスケールハイト) Schofield and Taylor, 1983 Taylor et al., 1983

18. 観測値 規格化したカウント値 1/e フィッティング 基準ピクセルからの距離[pix] リムでの見かけの雲の高さ 温度 スケールハイト 大気の平均分子質量 平均カウント値 4軌道 (26 画像) 明るさ変化のスケールハイト = 4.2 ± 0.7 [km]→ 大気のスケールハイト = 4.6 ± 0.8 [km] CO2 100%静水圧平衡を仮定すると 227 ± 37 K リムからの距離[pix]

19. 観測値 規格化したカウント値 フィッティング リム高度は70 km~80 km程度 高度(km) 100 基準ピクセルからの距離[pix] 80 60 40 20 100 300 温度(K) 0 500 700 0 リムでの見かけの雲の高さ 平均カウント値 4軌道 (26 画像) 明るさ変化のスケールハイト = 4.2 ± 0.7 [km]→ 大気のスケールハイト = 4.6 ± 0.8 [km] CO2 100%静水圧平衡を仮定すると 227 ± 37 K リムからの距離[pix]

20. X Y Rf Ri 雲の高さの緯度分布 1990 2/13 5:58 365 nm 座標 [pix] Galileo / SSI Ri -Rf [pix] カウント値

21. X 高? 高 低 高? 低 Y 雲の高さの緯度分布 1990 2/13 5:58 365 nm 相対高度差 [km] Galileo / SSI 緯度 [deg] 相対的に・赤道域、40°-60°の雲は低い・15°-40°の雲は高い

22. 75 高? 高 低 高? 低 8.2μm 70 65 60 55 27μm 0 20 40 60 80 雲の高さの緯度分布 VENERA 15 -50 0 50 緯度 [deg] 緯度 [deg] Zasova et al. (2004) 紫外波長での結果と異なる 見ている高度が異なる紫外：ヘイズ層赤外：雲頂 雲頂までの循環とヘイズ層での循環が異なる ?

23. 雲の高さの緯度分布 1990 2/16 6:28 相対高度 [km] Galileo / SSI 2006 5/20 20:57 相対高度 [km] VenusExpress / VMC 緯度 [deg]

24. 連続画像からの風ベクトル推定 相互相関を用いた特徴追跡 NASA/Galileo(SSI) 相関計算

25. 金星雲画像への適用：問題意識 様々な制限 ・装置・観測機会:- 地球: 静止軌道+高い解像度(1 km/pix)- 金星: 周回軌道+制限のある解像度(15 km/pix)・(紫外)弱いコントラストGalileo : S/N ≒ 100 (雲の模様)/N < 5(ノイズが目立つ →)・雲の特性　明確な境界に乏しい　変形、生成、消滅のため一定の形を保たない・比較できる予報データや、　ラジオゾンデなどの同時観測データが無い NASA/Galileo(SSI) より金星に適した工夫が必要信頼できる誤差評価の必要

26. 連続画像からの風ベクトル推定 Correlation based correlation method[D.P.Hart. 2000] 50%重なりがあるTemplateから求めた相関曲面を掛け合わせる 解釈：相関空間での平滑化欠点：空間分解能が落ちる(重ね合わせた領域の平均的な移動量が求まる)利点：ピークの選別が容易、先鋭化

27. 誤差評価(Moissl 2008) 各点で求めた風速 ある緯度帯の平均風速 用いる2枚の画像組の撮影時間差 ±0.4°のズレに相当する風速範囲 ΔT = 1 h ± 12 m/s

28. Template 6°x6° (30 x 30 pixel) 連続画像からの風ベクトル推定 太陽天頂角 < 84°衛星天頂角 < 71°(解像度 ≒ 100 km/pix)時間差 ΔT = 1 [hour] 展開 Template 12°x12° (60 x 60 pixel) 誤ベクトル修正 各ベクトルの推定誤差± 0.4° [Moissl 2008] ± 12 m/s ΔT = 1 h

29. 連続画像からの風ベクトル推定 2006 5/20 東西風速 5 5 緯度 3° [deg] -70 -70 17 7 17 7 Local Time [hour] Local Time [hour] 140 [m/s] 20 140 [m/s] 20 空間分解能 1/9 → 10x10 deg誤差 1/3 → ±4 m/s + 位置決定誤差 3x3、9つのbinで平滑化

30. 2006 5/16 – 2007 2/3 23軌道平均 東西風(西向き正) 120 緯度 [deg] 40 8 12 17 Local Time [hour] Local Time [hour] 120 [m/s] 40 雲頂高度での平均風速 2006/5月-6月、11月- 2007/1月、7月-9月 (450 image pairs) [Moissl, 2008] 低緯度、Local noonに極小Local noonから離れるにつれ風速が増大朝夕対称の風速分布? 熱潮汐波が作る風速に特徴的な分布

31. 2006 5/16 – 2007 2/3 23軌道平均 東西風(西向き正) 0 緯度 -20 [deg] 緯度 -40 [deg] -60 Local Time [hour] 12 7 17 120 [m/s] 40 雲頂高度での平均風速 1990 2/13-2/17 Galileo探査機 低緯度、Local noonに極小Local noonから離れるにつれ風速が増大朝夕対称の風速分布? 熱潮汐波が作る風速に特徴的な分布

32. 5 -20 8 17 12 Local Time [hour] 雲頂高度での平均風速 2006 5/16 – 2007 2/3 23軌道平均 2006/5月-6月、11月- 2007/1月、7月-9月 (450 image pairs) 南北風(北向き正) 緯度 [deg] Local Time [hour] 40 [m/s] -20 カメラ歪み、位置あわせ誤差の影響?

33. 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 赤道域の東西風速変動 30 2/3 1/25 1/26 1/27 1/28 1/29 1/30 1/31 2/1 2/2 2/4 平均風速 Local Time [hour] -30

34. まとめ/今後 • 解析前処理：惑星中心導出を画像処理からサブピクセルレベルで行った→Planet-Cでの昼面観測(IR1、UVI)へ応用可能 • リムの解析方法を考案 • 東西風、南北風の平均風速を導出 • VIRTIS、VMCの解析データを組み合わせることで複数高度の風速場を導出する • 雲追跡アルゴリズムの精度向上 • 大気波動の抽出

36. 120 5 40 -20 8 12 17 8 17 12 Local Time [hour] Local Time [hour] 雲頂高度での平均風速 2006/5月-6月、11月- 2007/1月、7月-9月 (450 image pairs) [Moissl 2008]

37. 雲頂高度での平均風速