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地球環境と気象

地球環境と気象. 自己紹介. 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. たかはし よしゆき. 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.

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地球環境と気象

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Presentation Transcript

  1. 地球環境と気象

  2. 自己紹介 • 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. たかはし よしゆき

  3. 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.

  4. スケジュール（予定） • 8/27（水） • 3 限 (13:10-14:40) イントロダクション 様々な惑星大気 • 4 限 (14:50-16:20) 放射, 平均温度 • 8/28（木） • 1 限 (09:10-10:40) 大気の鉛直構造 1 （静水圧平衡） • 2 限 (10:50-12:20) 大気の鉛直構造 2 （温度構造） • 3 限 (13:10-14:40) 火星

  5. 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

  6. 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?

  7. 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

  8. 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 様々な惑星

  9. 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）

  10. 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

  11. 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

  12. 地球型惑星の気象・表層環境

  13. 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)

  14. 地学図表

  15. 地球大気の鉛直構造 （高度[km]） 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 90km 熱圏 中間圏 50km 成層圏 10km 対流圏 0km 280K 200k （温度[k]） Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1.

  16. 地球大気の流れ・気象

  17. 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 地球大気の流れ

  18. 地球の大気の流れの模式図

  19. 東西風分布とその季節変化 冬 春 10km 10km 0km 0km 北極 南極 赤道 南極 赤道 北極 夏 秋 10km 10km 0km 0km 南極 赤道 北極 南極 赤道 北極

  20. 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

  21. 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 「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 水星の大気 H, He Na 昼側 夜側

  22. 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

  23. 火星大気の鉛直構造 一応、温度で区分 • 熱圏 ：120 km ~ • “中層大気”：~ 120 km • “対流圏” ：0~5-10 km • 変動が激しい （高度[km]） 熱圏 120km 成層圏 10km 対流圏 0km 200 （温度[K]) Seiff and Kerk, 1977: JGR, 30, 4364, Fig.15.

  24. 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

  25. 温度分布から推定 風は直接測れない 冬半球は偏西風、夏半球は偏東風 ハドレー循環+コリオリの力 風速は 100 m/sec を超える 東西風分布とその季節変化 秋 冬 春 南極 赤道 北極

  26. 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

  27. 特徴的な現象：ダストストーム

  28. 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

  29. 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 金星大気の鉛直構造 (高度[km]) 60km 0km 700k (温度[K]) 200k Seiff, 1983: in Venus, Arizona Press, 650, Fig. 24.

  30. 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？ 金星大気の流れ

  31. 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（？） 金星大気の大気循環（予想）

  32. 高度とともに東風が強まる 昼夜でも変わらない 緯度にもよらない 風の高度分布 （高度[km]） 50km （風速[m/s]） 100m/s 0km Schubert, 1983: in Venus, Arizona Press, 684, Fig. 9.

  33. 金星特有の大気の流れの原因を探る. 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 日本による金星探査 金星探査機（想像図） （http://www.jaxa.jp/projects/sat/planet_c/index_j.html）

  34. 木星型惑星の気象

  35. 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) 木星と土星

  36. ３種類の雲の存在が予想 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 木星大気の鉛直構造 圧力 1 気圧 温度 http://www.seed.pro.or.jp/~kin/jupiter/yuseijin/

  37. 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」

  38. 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 大気運動と内部構造

  39. 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(?) 土星大気の流れ

  40. 土星の東西風の分布 緯度 東西風速(m/sec) (Ingersoll et al., 1984; 松田, 2000)

  41. 天王星型惑星の気象

  42. 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

  43. 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 天王星と海王星の気象

  44. 天王星と海王星の東西風分布 海王星 天王星 緯度 緯度 東西風速(m/sec) 東西風速(m/sec) (Alison et al., 1991;松田, 2000) (Ingersoll et al., 1995;松田, 2000)

  45. 系外惑星の気象

  46. 「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」 系外惑星とは

  47. 想像図

  48. 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） ホットジュピターはどんな惑星か?

  49. 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.

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