01 京都府の気象 - 表紙(6月)...京都地方気象台 「京都府の気象の見方」 1.京都地方気象台、舞鶴特別地域気象観測所の月統計値 要
地球環境と気象
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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