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 .

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

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

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 ?

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

様々な惑星• 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

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）

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

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

地球型惑星の気象・表層環境

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)

地学図表

地球大気の鉛直構造温度で区分• 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 対流圏

成層圏

中間圏

熱圏（高度 [km] ）

（温度 [k] ）0km

10km

50km

90km

280K200k

Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics,Academic Press, Fig. 1-1.

地球大気の流れ・気象

地球大気の流れ• 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

地球の大気の流れの模式図

東西風分布とその季節変化

0km

10km

0km

0km

0km

10km

10km10km

赤道

赤道

赤道

赤道

南極

南極

南極

南極

北極

北極

北極

北極

冬

夏

春

秋

水星• 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

水星の大気• 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昼側 夜側

H, He

Na

火星• 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)

火星大気の鉛直構造

Seiff and Kerk, 1977: JGR, 30, 4364, Fig.15.

0km10km

120km

（高度 [km] ）

（温度 [K])

対流圏

成層圏

熱圏

200

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

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

東西風分布とその季節変化• 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

秋

冬

春

南極 赤道 北極

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

特徴的な現象：ダストストーム

金星• 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)

金星大気の鉛直構造• 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

Seiff, 1983: in Venus, Arizona Press, 650, Fig. 24.

( 高度 [km])

( 温度 [K])

0km

60km

200k

700k

金星大気の流れ• 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？

金星大気の大気循環（予想）• 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（？）

風の高度分布• 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

Schubert, 1983: in Venus, Arizona Press, 684, Fig. 9.

（高度 [km] ）

（風速 [m/s] ）

0km

50km

100m/s

日本による金星探査• 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

金星探査機（想像図）（ http://www.jaxa.jp/projects/sat/planet_c/index_j.html ）

木星型惑星の気象

木星と土星• 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)

木星大気の鉛直構造• 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http://www.seed.pro.or.jp/~kin/jupiter/yuseijin/

温度

圧力

1 気圧

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」

大気運動と内部構造• 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

土星大気の流れ• 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 (?)

土星の東西風の分布

東西風速 (m/sec)

(Ingersoll et al., 1984; 松田 , 2000)

緯度

天王星型惑星の気象

天王星と海王星• 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)

天王星と海王星の気象• 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

天王星と海王星の東西風分布

(Alison et al., 1991; 松田 , 2000) (Ingersoll et al., 1995; 松田 , 2000)

天王星海王星

緯度

緯度

東西風速 (m/sec) 東西風速 (m/sec)

系外惑星の気象

系外惑星とは• 「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」

想像図

ホットジュピターはどんな惑星か ?

• 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）

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 .

気温の変化

IPCC(2007)

二酸化炭素濃度の変化• CO2増加の原因は化

石燃料の利用

• ではなぜ , 大気中の二酸化炭素の増加が温暖化を引き起こす ?

（ IPCC AR4 WG1 報告書 政策決定者向け要約（気象庁訳） (2007) より引用）

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

462℃ 15℃ -55℃

講義の内容• 8月 27日 ( 水 )3-4 限、 28日 ( 木 )1-3 限• トピックス• 放射

– 温室効果• 静水圧平衡

– 熱力 (断熱減率 )• 鉛直構造• パノラマ太陽系• 大循環 ?• 研究 ?

• 東西平均断面– ジェット気流– 温度分布– ハドレー循環

• Held• Schneider?

何を話すのか？• 大気の運動や構造を支配している物理法則について

– 天体の運動の場合には，リンゴが木から落ちる法則と同じ法則にしたがっている．（万有引力の法則）

– 気象（大気の運動）は？・・・おそらく知らないでしょう• できるだけ平易に… するつもりで… 解説• 物理に対するイメージ

– 難解そうだが , とりあえずイメージから• 日常目にしている現象が，地球規模の流れと同じ物理法

則で説明される．• 積極的に数式を使う（たいした式ではないので安心して

ください．）・・・数式の苦手な人は，論理を追いかけてください．

第一回

木星木星 // 土星大気の放射収支土星大気の放射収支 太陽から吸収する熱＜惑星が放射する熱太陽から吸収する熱＜惑星が放射する熱

• 地球では両者はほぼ等しい地球では両者はほぼ等しい 内部熱源の存在を示唆内部熱源の存在を示唆

緯度

地球 木星 土星

(清水編 , 1993; 松田 , 2000)

　　熱流量　

　

(W/m2)

内部構造内部構造• 外側に 外側に HH22+He +He のガのガ

スス• HH22O, NHO, NH33, CH, CH44 の氷の氷

からできたマントルからできたマントル• 岩石＋氷のコア岩石＋氷のコア

大気＝外側の「ガス大気＝外側の「ガス層」層」

内部構造と大気内部構造と大気