金星探査機と地上観測の連携による金星大気の物質循環の解明

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02231
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 中村 正人 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (20227937)
• 研究分担者: 高木 征弘 京都産業大学, 理学部, 教授 (00323494) ; 前澤 裕之 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (00377780) ; はしもと じょーじ 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (10372658) ; 中川 広務 東北大学, 理学研究科, 助教 (30463772) ; 今村 剛 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40311170) ; 佐川 英夫 京都産業大学, 理学部, 准教授 (40526034) ; 堀之内 武 北海道大学, 地球環境科学研究院, 准教授 (50314266) ; 田口 真 立教大学, 理学部, 教授 (70236404)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 地上望遠鏡 / 金星探査機 / 物質循環 / モデリング

研究実績の概要

金星にどのような大気循環が存在するのかを、探査機「あかつき」と地上望遠鏡による協調観測によって解明しつつある。具体的には、(1) 探査機データを解析して下層・中層大気の3次元循環を明らかにするとともに、(2) 地上からの分光観測によって上層大気の化学組成と大気循環の情報を得つつある。(3) こうして得られた広い高度領域の情報を組み合わせて大気全層のモデリングを行い、(4) 3次元大気循環が大気の力学構造と雲の分布をどうコントロールするのかを明らかにしている。
これまでに「あかつき」のデータを解析して風速や雲量や微量気体の分布の変動の解明に取り組んだ。自動雲追跡手法により高精度の風速分布を得たうえで、高速大気循環の維持に関わる角運動量のフラックスを見積もることに成功するとともに、平均風速の長期変化も明らかになった。また、これまで知られていなかった地形励起重力波の全球分布を明らかにするとともに、様々な惑星規模の波動を同定した。電波掩蔽観測により、雲層内部の日変化や熱潮汐波の構造、微細乱流層の分布を明らかにした。
地上望遠鏡による観測としては、国内外の電波望遠鏡・赤外望遠鏡により大気の熱構造と組成分布を調べた。ミリ波観測の新たな手法を導入して従来より高精度で鉛直大気構造を得る目処がたった。また赤外ヘテロダイン分光装置により夜側大気のCO2吸収スペクトルを得て高度70-90kmの風速・温度のリトリーバル手法を確立した。
数値モデルにより大気現象の再現を行い。惑星規模の筋状構造の成因、熱潮汐波の3次元構造、高速大気循環の運動量バランスに関わる渦粘性、雲生成に伴う水蒸気や硫酸の時空間分布の解明を進めた。
これら異種観測と数値モデリングの統合により、目標とする3次元大気循環の把握に大きく近づくことができた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

「あかつき」が得た連続的な多波長の画像データを解析して、これまで知られていなかった地形励起重力波の全球分布を明らかにするとともに、雲追跡により全球の風速分布とその長期変動を求め、大気の高速循環の維持に関わる角運動量輸送の定量にも成功した。雲頂に存在する様々な惑星規模の波動を風速場や温度場から同定した。メソスケールの雲の構造が紫外や赤外の異なる波長間でどのような相関関係を持つかを調べ、雲の生成機構に制約を与えた。また電波掩蔽観測により、雲層内部の日変化サイクルの情報を得るとともに、角運動量輸送に関わる熱潮汐波の構造や、微細乱流層の分布を明らかにした。
ハワイにあるALMA望遠鏡で金星大気のミリ波観測を行い、温度場や吸収物質分布を導出した。その際、従来型の干渉計データからの画像合成では系統的誤差が大きいため、新たな手法として画像合成よりも上流のデータである干渉計フリンジを直接的に解析し、大気の鉛直構造の手がかりとなる周縁減光を見積もることができた。
東北大学ハワイ・ハレアカラ観測施設望遠鏡の赤外ヘテロダイン分光装置を用いて連続的な金星観測を行い、夜側大気のCO2吸収スペクトルの取得に成功した。ここから、これまで導出が困難であった高度70-90kmの風速・温度のリトリーバル手法を確立することができた。
SPART望遠鏡による一酸化炭素の観測も継続して実施し、データ解析中である。
これらの観測と並行して、金星大気大循環モデルにより大気現象の再現を進めた。雲層下部に発見された惑星規模の筋状構造の成因を明らかにするとともに、熱潮汐波の3次元構造の再構築や、高速大気循環の運動量バランスに関わる渦粘性の評価、雲生成に伴う水蒸気や硫酸の時空間分布の解明を進めた。

今後の研究の推進方策

「あかつき」の多波長データを放射輸送計算を参照して解析することにより、大気の熱構造と雲の微物理特性の情報を分離し、これまでに得られた大気循環の力学的理解と統合することにより、雲層の硫酸蒸気の輸送と分解の情報を得る。また紫外カメラのデータから雲頂付近のSO2分布を導出し、これを大気力学情報と合わせ、下層大気のSO2がどこで雲頂まで運び上げられるのか、そのあとどのように失われるのかを明らかにする。近赤外カメラと中間赤外カメラによるデータを用いて雲頂高度をマッピングし、ここから、低緯度で光化学生成した雲が全球に運ばれる過程や雲層を横切る鉛直輸送の情報を得る。
地上観測としては、ALMAの観測データから取得された周縁減光の大きさから雲層付近における光学的厚みの鉛直分布を制約し、さらに吸収物質であるSO2の雲層における鉛直分布を推定する。また赤外ヘテロダイン分光の高精度・連続観測のために冷凍機実装などの装置改良を進める。
前年度までと同様に、「あかつき」と地上観測の効果的な連携を行うべく、「あかつき」プロジェクトと調整する。探査機と地上観測のデータを共通のデータベースに統合し、効率的な比較参照を行うとともに、物質循環モデリングに供する金星大気大循環モデルに導入しつつある雲物理スキームを改良し、精密な雲物理化学と物質輸送の計算を行い、雲量や大気組成の非一様性と時間変化の特徴を再現する。大気大循環モデルに CO などの大気微量成分を導入し観測との比較を行う。観測との比較を進め、雲頂高度で観測される惑星規模波動（赤道ケルビン波や中緯度ロスビー波）の成因を明らかにする。こうして、非定常な擾乱を含む3次元物質循環が雲量やアルベドをどう支配するのかを明らかにする。
観測・理論の両面において、これまでの研究を仕上げて着実に論文化していく。

研究成果

• [雑誌論文] Morphology and dynamics of Venus's middle clouds with Akatsuki/IR1 (2019)
  • 著者名/発表者名: Peralta, J., N. Iwagami, A. Sanchez-Lavega, Y. J. Lee, R. Hueso, M. Narita, T. Imamura, P. Miles, A. Wesley, E. Kardasis, and S. Takagi
  • 雑誌名: Geophys. Res Lett. 巻: 46 ページ: 2399-2407
  • DOI: 10.1029/2018GL081670
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fully Developed Superrotation Driven by the Mean Meridional Circulation in a Venus GCM (2019)
  • 著者名/発表者名: Norihiko Sugimoto, Masahiro Takagi, Yoshihisa Matsuda
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 46 ページ: 1776-1784
  • DOI: 10.1029/2018GL080917
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Planetary-scale streak structure reproduced in high-resolution simulations of the Venus atmosphere with a low-stability layer (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Kashimura, Norihiko Sugimoto, Masahiro Takagi, Yoshihisa Matsuda, Wataru Ohfuchi, Takeshi Enomoto, Kensuke Nakajima, Masaki Ishiwatari, Takao M. Sato, George L. Hashimoto, Takehiko Satoh, Yoshiyuki O. Takahashi & Yoshi-Yuki Hayashi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10(23) ページ: -
  • DOI: s41467-018-07919-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] HDO and SO2 thermal mapping on Venus. IV. Statistical analysis of the SO2 plumes (2019)
  • 著者名/発表者名: Encrenaz, T., Greathouse, T. K., Marcq, E., Sagawa, H., Widemann, T., Bezard, B., Fouchet, T., Lefevre, F., Lebonnois, S., Atreya, S. K., Lee, Y. J., Giles, R., Watanabe, S.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 623 ページ: id.A70
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833511
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Initial products of Akatsuki 1-μm camera (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwagami, N., Sakanoi, T., Hashimoto, G.L., Kenta Sawai, Shoko Ohtsuki, Seiko Takagi, Kazunori Uemizu, Munetaka Ueno, Shingo Kameda, Shin-ya Murakami, Masato Nakamura, Nobuaki Ishii, Takumi Abe, Takehiko Satoh, Takeshi Imamura, Chikako Hirose, Makoto Suzuki, Naru Hirata,
  • 雑誌名: Earth Planets Space 巻: 70（6） ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-017-0773-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Venus looks different from day to night across wavelengths: morphology from Akatsuki multispectral images (2018)
  • 著者名/発表者名: Limaye, S.S., Watanabe, S., Yamazaki, A., Manabu Yamada, Takehiko Satoh, Takao M. Sato, Masato Nakamura, Makoto Taguchi, Tetsuya Fukuhara, Takeshi Imamura, Toru Kouyama, Yeon Joo Lee, Takeshi Horinouchi, Javier Peralta, Naomoto Iwagami, George L. Hashimoto, Seiko Takagi, Shoko Ohtsuki, Shin-ya Murakami,
  • 雑誌名: Earth Planets Space 巻: 70（24） ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0789-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultraviolet imager on Venus orbiter Akatsuki and its initial results (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki, A., Yamada, M., Lee, Y.J, Shigeto Watanabe, Takeshi Horinouchi, Shin-ya Murakami, Toru Kouyama, Kazunori Ogohara, Takeshi Imamura, Takao M. Sato, Yukio Yamamoto, Tetsuya Fukuhara, Hiroki Ando, Ko‐ichiro Sugiyama, Seiko Takagi, Hiroki Kashimura, Shoko Ohtsuki, Naru Hirata,
  • 雑誌名: Earth Planets Space 巻: 70（24） ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40623-017-0772-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fine vertical structures at the cloud heights of Venus revealed by radio holographic analysis of Venus Express and Akatsuki radio occultation data (2018)
  • 著者名/発表者名: Imamura, T., Miyamoto, M., Ando, H., Huausler, B., Puatzold, M., Tellmann, S., Tsuda, T., Aoyama, Y., Murata, Y., Takeuchi, H., Yamazaki, A., Toda, T., Tomiki, A.
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 123 ページ: 2151-2161
  • DOI: 10.1029/2018JE005627
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Local time dependence of the thermal structure in the Venusian equatorial upper atmosphere: Comparison of Akatsuki radio occultation measurements and GCM results (2018)
  • 著者名/発表者名: Ando, H., Takagi, M., Fukuhara, T., Imamura, T., Sugimoto, N., Sagawa, H., Noguchi, K., Tellmann, S., Puatzold, M., Huausler, B., Murata, Y., Takeuchi, H., Yamazaki, A., Toda, T., Tomiki, A., Choudhary, R., Kumar, K., Ramkumar, G., & Antonitaet, M.
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 123 ページ: 2270-2280
  • DOI: 10.1029/2018JE005640
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nightside winds at the lower clouds of Venus with Akatsuki/IR2: longitudinal, local time, and decadal variations from comparison with previous measurements (2018)
  • 著者名/発表者名: Peralta, J., K. Muto, R. Hueso, T. Horinouchi, A. Sanchez-Lavega, S. Murakami, P. Machado, E.F. Young, Y.J. Lee, T. Kouyama, H. Sagawa, K. McGouldrick, T. Satoh, T. Imamura, S.S. Limaye, T.M. Sato, K. Ogohara, M. Nakamura, D. Luz
  • 雑誌名: Astrophys. J. Supp. 巻: 239（29） ページ: -
  • DOI: 10.3847/1538-4365/aae844
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Mean meridional circulation in the Venus upper atmosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Takagi, M., N. Sugimoto, H. Kashimura, H. Ando, and Y. Matsuda
  • 学会等名: Symposium on Planetary Science 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Venus AFES LETKF Data Assimilation System (VALEDAS) (2019)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto, N., M. Takagi, VALEDAS team
  • 学会等名: RIMS Gasshuku-style Seminar: Mathematical science in numerical modeling and data assimilation of planetary atmospheres from Earth and Mars to Venus
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Akatsuki reveals Venus atmosphere dynamics (2018)
  • 著者名/発表者名: Horinouchi, T.
  • 学会等名: COSPAR 42nd General Assembly
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ensemble Forecast Sensitivity to Observations (EFSO) of the Venus data assimilation system (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto, N., A. Yamazaki, T. Kouyama, H. Kashimura, T. Enomoto, M. Takagi
  • 学会等名: EPSC 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Venus' Meridional wind flow from: Akatsuki/UVI, Venus Express/VIRTIS, TNG/HARPS-N and CFHT/ESPaDOnS (2018)
  • 著者名/発表者名: Machado, P., T. Widemann, J. Peralta, R. Goncalves, M. Takagi, A. Harutyunyan, Y.J. Lee, S. Watanabe, T. Satoh, K. Ogohara
  • 学会等名: EPSC 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical study of the Venus cloud by a general circulation model (2018)
  • 著者名/発表者名: Ando, H., M. Takagi, N. Sugimoto, H. Sagawa, Y. Matsuda
  • 学会等名: AGU 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ground-based sub-mm observations of Venus upper atmosphere using JCMT in coordination with Akatsuki Radio Science experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: Sagawa, H., Sandor, B., Clancy, R. T., Imamura, T., Ando, H.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Super-rotation from Venus observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Imamura
  • 学会等名: Understanding the Diversity of Planetary Atmospheres (ISSI Workshop)
  • 国際学会 / 招待講演