火星現象論: 火星大気の風の場

地球流体電脳倶楽部

1996 年 12 月 12 日

目次

• 観測事実
• モデルによる計算
• 参考文献

概要:

火星の火星大気の風の場を概観する.

観測事実

風についての全球的な観測データは無い. そのために, 風についての情報はバイキング着陸船による1点観測か, 間接的な証拠に頼るしかない. 以下にそのような例を示す. (Leovy,1979)

• バイキング２号による観測結果

  ($47.9^{\circ}$ N, $225.8^{\circ}$ W)の地点で $L_s=280^{\circ}$（全球的なdust stormの前）の時期には西風が吹いていた. dust stormの期間中は東風が吹いていた.

• 雲の形からの予想

  $45^{\circ}{\rm N} \sim 90^{\circ}{\rm N}$の領域では 冬は西風が吹いている.

• 温度風の関係式による推定

  気温の観測結果から次の温度風の関係式を使ってmean zonal windを 推定することができる.
  

  $$\bar{u}(z,\phi)=\bar{u}(0,\phi)+\frac{g}{fa} \int^z_0 \frac{1}{\bar{T}}(\frac{\partial \bar{T}}{\partial \phi})dz$$
  
  
  ただし, 変数は

  $\bar{u}$：mean zonal wind

  a：火星半径

  $\bar{T}$：zonally averaged temperature

  $f$:コリオリパラメーター

  $\phi$：緯度

  をそれぞれ表す. この式を使って計算した結果が図1である. ただし, この場合バイキングで観測した温度分布は zonal meanにもかかわらず$\bar{T}$に等しいということと
  

  $$\bar{u}(0,\phi)=0$$
  
  
  という2つの仮定をおいた. $L_s=43^{\circ} \sim 54^{\circ}$における温度の観測データを 図1の計算で使用した. この時期は北半球の春分と夏至の中間にあたる. 図の中で実線で示したのは使用した温度のデータであり, 点線で示したのが計算から求めた風の分布である. ハッチを付けた部分は西風, それ以外は東風を示している. この計算によれば南半球の上空には強風帯ができる.

さらに, Carr (1996, p10) によれば, バイキング着陸地点¹での 風速は次のようであった.

• 地上の風速は晴天時 2.3 m/s, 最大 8 $\sim$ 10 m/s.
• ダストストーム時では観測時間中の 10 % 以上で 10 m/s 以上の風を 記録. 最大で 40 m/s

モデルによる計算

図2はPollack et al(1981)による大循環モデルの計算結果である. これはダストが無いCO$_2$大気モデルである. このモデルでは火星の表面地形とアルベドの分布は考慮してある. 図2の横軸は緯度をあらわしており, 縦軸は高さを気圧であらわしている. 図の右側には対応するおよその高度(Km)が示してある. 図2の上の図はmeridional windの図である. 図2の下の図はzonal windの図である. まずmeridional windの図について説明する. 図の中でハッチを付けたのは北風の領域である. それ以外は南風の領域である. 赤道域の地表付近は南風で, 上空は北風になっている. つまりこの計算では赤道をはさんだ南北循環が生じている. この循環により$60^{\circ}$S付近で下降流が生じる. この下降流が南半球(冬半球）極域上空に高温域が 存在する原因であると考えられている.

一方, zonal windの図ではハッチを付けた所は東風が吹いている領域である. それ以外は西風が吹いている領域である. 南半球（冬半球）の中緯度の上空に西風の強風帯が存在する.

図1 東西風の子午面断面図(Leovy(1979), fig 3)

図2 GCMによる風の計算結果(Pollack et al(1981), fig 6)

参考文献

Carr, M.H. 1996: Water on Mars, Oxford Univ. Press, 229pp.

Leovy, C.B., 1979: Martian Meteorology, Ann. Rev. Astron. Astrophys., 17, 387-413.

Pollack, J.B. et al., 1981: A Martian general circulation experiment with large topography, J.Atmos.Sci., 38, 3-29.

謝辞

本稿は 1989 年から 1993 年に東京大学地球惑星物理学科で行われていた, 流体理論セミナーでのセミナーノートがもとになっている. 原作版は石渡正樹による「火星現象論」 (1989/05/19) であり, 林祥介によって地球流体電脳倶楽部版「火星現象論」 として書き直された (1996/06/23). その後小高正嗣によって加筆修正された (1996/12/12). 構成とデバッグに協力してくれたセミナー参加者のすべてにも 感謝しなければならない.

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$$\mbox{dcstaff@gfd-dennou.org}$$

まで連絡していただければ幸いである.

... バイキング着陸地点¹

1 号か 2 号かは Carr には記述がない.