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: 地球流体理論マニュアル : 火星現象論

火星現象論: 火星の大気モデル

地球流体電脳倶楽部

1996 年 12 月 12 日


目次

概要:

火星大気の構造モデルとして, 放射対流平衡モデルと GCM について述べる.

放射対流平衡モデル

Gierasch and Goody(1972)は純 CO$_2$大気の放射対流平衡モデル による計算を行った.

図1aはその計算結果である. これは夏半球の緯度40度の状況についての計算例である. 図にはlocal timeの6時と16時の場合を示してある. 縦軸はkmで高さを, 横軸は絶対温度で温度を示してある. 図の下には6時の場合の地表面温度と16時の場合の地表温度が示してある.

この計算では対流圏界面の高さは約15kmとなった.

また, マリナー9号による気温の観測結果が図の中にハッチで示してある.

図からわかるように, 計算と観測結果は見事に合っていない. 計算された値は実際に観測で得られた値よりも低くなっている.

このように計算と観測で不一致が生じたのは, 実際の火星大気ではdustが 太陽放射を吸収し, 大気を加熱するためであると考えられている.

\Depsf[70mm]{fig-prohibited/model-1.ps}
図1a 放射対流平衡温度構造(Gierasch and Goody(1972), fig 1)

Pollack et al. (1979) は同様のモデルを用いて日変化を計算した. 図1はその計算結果である. これは夏半球の緯度 20 度の場合である. 図には local time の 4 時と 16 時の場合を示してある. 図の下端には 4 時の場合の地表面温度と 16 時の場合の地表温度が示してある. 実線, 一点鎖線, 破線はそれぞれ晴天時とダストストーム時に対応する.

図から, 日変化の影響が大きいのは地表から2kmの範囲であることがわかる. ダストストーム時には上下に温度が一様化し, 日変化の影響も大気上層にまでおよぶ.

\Depsf[]{fig-prohibited/model-1b.ps}
図1b 放射対流平衡温度構造(Pollack et al., 1979; Carr, 1996, 図1-4)

GCM

Pollack et al(1981)はUCLAのGCMを火星に使えるように直したモデルを 使用して, 火星大気の温度場, 風の場, 圧力場などを計算した. 大気成分としてはCO$_2$だけを考える. CO$_2$の相変化も考慮し, 極冠の季節変化も計算する. また, Gierasch and Goody(1973)と同様にダストは考えない. 図2はモデルで使う鉛直座標系である. 対流圏を3層に切っている. この図で出てくる量の定義は次のようになっている.

\begin{displaymath}
\pi = P_s - P_T
\end{displaymath}


\begin{displaymath}
\sigma = \frac{P - P_T}{P_s - P_T}
\end{displaymath}

ただし, $P_s$は地表面気圧, $P_T$は対流圏界面における圧力である. また, $\phi$はgeopetentialである. このモデルでは, 火星の地形分布とアルベド分布を考慮している. 図3はモデルに与える地形分布で, 図4はモデルに与えるアルベド分布である.

\Depsf[140mm]{fig-prohibited/model-2.ps}
図2 GCMにおける鉛直軸(Pollack et al(1981), fig 1)

\Depsf[120mm]{fig-prohibited/model-3.ps}
図3 GCMで使う地形分布(Pollack et al(1981), fig 3)

\Depsf[120mm]{fig-prohibited/model-4.ps}
図4 GCMで使うアルベド分布(Pollack et al(1981), fig 4)

以下にこのモデルによる計算結果を示す. ここでは $L_s = 82^{\circ}$ から $L_s = 112^{\circ}$ まで積分を行った例を示す. なお, 初期条件としては等温( $T=200 {\rm K}$ )の状態を与えた.

\Depsf[130mm]{fig-prohibited/model-9.ps}
図7a geopotentialと風の計算結果(Pollack et al(1981), fig 19)

\Depsf[130mm]{fig-prohibited/model-10.ps}
図7b geopotentialと風の計算結果(Pollack et al(1981), fig 19)

参考文献

Gierasch, P.J. and Goody. R.M., 1972: The effect of dust on the temperature of the Martian atmposphere, J. Atmos. Sci., 29, 400-402.

Pollack, J.B., Colburn, D.S., Flaser, M., Kahn, R., Carlston, C.E., and Pidek, D., 1979: Properties and effects of dust particles suspended in the martian atmosphere. J. Geophys. Res., 84, 2929-2945.

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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\begin{displaymath}
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\end{displaymath}

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Odaka Masatsugu 平成19年5月29日