トリトンの雰囲気

トリトンの雰囲気

ボイジャー2号がトリトンに最も接近した後の画像。トリトンの大気中のもやが太陽光を弱く散乱させ、細い三日月形を「伸ばしている」様子がわかる。
一般情報
身長	約870 km（外底）[1]
平均表面圧力	~1.4 Pa (1.38 × 10 -5  atm) (1989) [2] ~1.9 Pa (1.88 × 10 -5  atm) (1997) [3] ~1.454 Pa (1.43 × 10 -5  atm) (2022) [2]
構成[4] [a]
窒素（N 2）	>99%
メタン（CH 4）	約0.025%
一酸化炭素( CO )	約0.06%

トリトンの大気は、トリトンを取り囲むガスの層です。タイタンや冥王星の大気と同様に、トリトンの大気は主に窒素で構成されており、少量のメタンと一酸化炭素が含まれています。トリトンには、表面から最大30キロメートル上空まで広がる有機のもやの層と、高度約4キロメートルの薄い明るい雲の層があります。^[5]トリトンの重力が低いため、大気は緩く結合しており、表面から800キロメートル以上広がっています。^[6]

トリトンは、土星の衛星タイタンとともに、太陽系で重要な全球大気を持つことが知られている2つの衛星のうちの1つである。^{[7] [b]}表面圧力はわずか14マイクロバール（1.4 Paまたは0.0105 mmHg）で、地球の表面圧力の1 ⁄ 70000である。^[6]冥王星の大気と同様に、トリトンの大気は季節の変化に敏感であり、1998年の観測では気温の上昇と大気の密度の増加が示された。^[13]

トリトンの大気の主なガスは窒素です。 ^[14]他の2つの既知の成分はメタンと一酸化炭素で、その存在量は窒素の数百分の1パーセントです。地上観測で2010年に初めて検出された一酸化炭素は、メタンよりわずかに豊富です。窒素に対するメタンの相対的な存在量は、2001年に南半球の至点を通過したトリトンで観測された季節的な温暖化により、1986年以来4〜5倍に増加しました。[ 4 ^]組成的には、トリトンの大気は冥王星の大気と非常によく似ており、ほぼ完全に窒素で、他のガスからの寄与はわずかです。^{[15] [16]}

トリトンの大気の他の成分としては、アルゴンとネオンが挙げられる。これらは1989年にボイジャー2号が観測したトリトンの紫外線スペクトルでは検出されなかったため、その存在率は数パーセントを超える可能性は低い。 ^{[17]上記のガスに加えて、上層大気にはメタンの}光分解によって生成される分子状水素と原子状水素が大量に含まれており、この水素はすぐに宇宙空間に逃げ出し、海王星の磁気圏内でプラズマ源として機能している。^[17]

トリトンの大気は海王星の磁気圏を介して海王星と相互作用するが、その相互作用はトリトンの逆行軌道と海王星の非対称磁気圏によって複雑になる。中性水素と窒素がトリトンの大気から逃げると、海王星の周りを周回する大きな中性雲を形成し、これをトリトントーラスと呼ぶ。原子と分子の両方の水素のモデル化された逃げる速度は約7 × 10 ²⁵ 粒子/秒であり、窒素の脱出率は2～3倍低いと推測されます。^[19]中性水素トーラスの密度は、タイタンが維持する中性水素トーラスの密度と同等かそれ以上です。トリトントーラス内の中性粒子の電離とトリトンの大気からのイオンの脱出は、海王星の磁気圏内のプラズマの主な発生源として作用する可能性があります。^[20]

トリトンの大気はよく構造化されており、全球に広がっている。^{[7]大気は、}外殻がある地表から 870 キロメートル上空まで広がり、1989 年時点での表面圧力は約 14 マイクロバールであった。これは、地球の表面圧力の 7 万分の 1 に過ぎない。^{[6]トリトンの}窒素氷はより温かい六方晶系状態にあり、六方晶窒素氷と立方晶窒素氷の間の相転移はその温度で起こるため、表面温度は少なくとも 35.6  K (-237.6 °C)であった。 ^[21]トリトンの大気中の窒素ガスとの蒸気圧平衡から、上限は 40 度台前半 (K) に設定できる。^[22]最も可能性の高い温度は1989年時点では38 ± 1Kであった。1990年代には、トリトンが南半球の夏のピークに近づいたため、地球温暖化の影響で約1K増加したと考えられる（下記参照）。^[4]

太陽によって加熱されたトリトンの表面付近の対流により、高度約 8 km まで上昇する対流圏(「気象領域」) が形成される。その中では高度とともに温度が低下し、対流圏界面で最低約 3​​6 K に達する。^[23]成層圏は存在しない。成層圏は、温暖な対流圏と熱圏からの加熱が放射冷却によってバランスがとられている層として定義される。^[24]より高い領域には、熱圏(8～850 km) と外気圏(850 km 以上) が含まれる。^[25]熱圏では、温度が上昇し、300 km 以上で約 95 K の一定値に達する。^[17]上層大気は、トリトンの弱い重力のために継続的に宇宙空間に漏れている。損失率は約 1 × 10^{1秒あたり25個の}窒素分子、約0.3 kg/秒に相当します。

窒素の氷粒子は、トリトンの表面から数キロメートル上空の対流圏で雲を形成している。 ^[6]その上には、表面から30キロメートルまで広がるもやが存在する。^[26]これは主に、太陽と恒星の紫外線がメタンに作用して生成される炭化水素とニトリルで構成されていると考えられている。 ^[24]

1989年、ボイジャー2号は、地表付近で東または北東に約5～15メートル/秒の風が吹いていることを発見した。^[7]その方向は、南極冠上にある暗い筋の観測によって決定され、一般的に南西から北東に伸びている。1989年は南半球で夏だったため、これらの風は南極冠からの窒素氷の昇華に関連していると考えられている。^[7]気体窒素は北に移動し、コリオリの力によって東に逸らされ、地表付近で高気圧を形成する。対流圏の風は、1マイクロメートルを超える大きさの物質を動かすことができ、これにより筋が形成される。^[7]

対流圏界面付近の高度8キロメートルで風向が変わる。^[14]風は西に流れ、両極と赤道の温度差によって動かされる。^{[7] [23]}これらの強風はトリトンの大気を歪ませ、非対称にする可能性がある。1990年代にトリトンによる星の掩蔽の際に実際に非対称性が観測された。^[27]

ボイジャー2号が到着する前は、窒素とメタンの大気の密度は地球の30%にも達すると予想されていた。これは火星の大気密度の初期の予測と同様に、大きな過大評価であることが判明した。しかし、火星と同様に、初期の大気はより密度が高かったと想定されている。^[28]

ボイジャー2号は、 1989年8月中旬から下旬にかけて海王星に最接近してから5時間後にトリトンを通過した。 ^[29]このフライバイ中に、ボイジャー2号は大気の測定を行い、^[30]大気中にメタンと窒素を発見した。^[14]ボイジャー2号はまた、トリトンの窒素氷を突き抜けて噴出する少なくとも2つのプルームを捉えた。これは、トリトンのような氷の世界で活発なプルームが存在する最初の証拠である。プルームは約100kmの長さで、地表から8km上空にあり、ボイジャー2号の画像に暗い影を作り出した。 ^[31] SPT上の約100個の暗い表面扇状地は、プルームによるものである。プルームの蒸気質量流束は、プルーム1つあたり約400kg/sと推定されている。トリトンで撮影された噴煙はエンケラドゥスで見られる噴煙と似ており^[32]、モデル化された噴出速度は深部の発生源とより一致している^{[33] 。}

観測された噴煙は噴火起源ではなく、長さと高さの比率からダストデビルではないかと示唆されている。^[34]ダストデビルの形成メカニズムとして提案されているのは、窒素の霜のない表面の部分が周囲よりも急速に加熱されるというものである。これとトリトンの表面気圧が低いことを考慮すると、対流により大気が表面温度より10 Kも高くなるまで加熱され、風速が最大20メートル/秒に達するダストデビルが形成される可能性がある。^[34]これにより、観測された表面温度が38 Kであることも説明でき、間欠泉の加熱メカニズムを考案する必要がなくなる。^[35]しかし、ダストデビルの仮説は、提案された形成を考えるとなぜもっと多くのダストデビルが観測されなかったのか、また、観測された煙に伴う暗い筋や扇状地はダストデビルで説明する必要がないこと、^そしてモデルが大気の誤った温度プロファイルに依存していたことなどの疑問から、今日ではほとんど考慮されていません。その結果、噴火に基づく煙のモデルが今日では一般的に支持されています。^[37]

1990年代には、地球からトリトンの縁による恒星の掩蔽が観測された。これらの観測は、ボイジャー2号のデータから推測されたものよりも高密度の大気の存在を示した。^[38] 1990年代後半の表面気圧は少なくとも19μbarに増加したと考えられている^[3]、あるいは40μbarにまで達した可能性もある。^[39] 他の観測では、1989年から1998年にかけて気温が5%上昇したことが示されている。^[13]トリトンの調査に携わった科学者の一人、ジェームズ・L・エリオットは次のように述べている。^[13]

「少なくとも1989年以来、トリトンは地球温暖化の時期を迎えています。割合で見ると、非常に大きな増加です。」

これらの観測結果から、トリトンには数百年に一度、至点付近にのみ南半球で暖かい夏があることが示唆されている。^[4]この温暖化の仮説としては、トリトン表面の霜の昇華と氷のアルベドの低下が挙げられ、これによりより多くの熱が吸収されるようになる。^{[4] [40]}別の理論では、気温の変化は月の地質学的プロセスによる暗赤色物質の堆積の結果であると主張している。トリトンの結合アルベドは太陽系内で最も高いため、スペクトルアルベドの小さな変化に敏感である。^[41]

トリトン・ウォッチ計画は天文学者を巻き込んでトリトンの大気の変化を監視するキャンペーンであり、NASAの助成金を受けて開始された。^[42]

トライデントは、海王星の衛星トリトンのさらなる調査を目的としたNASAの提案されたミッションである。トライデントの提案された打ち上げ日は2025年10月に設定されており、2038年までに海王星系に到着する。トリトンは、ボイジャー2号のフライバイで活動が垣間見られたことから、非常に優先度の高い海洋惑星である可能性がある。ボイジャーから見た活動の起源はまだ不明であり、このため、海洋惑星の調査に関してはトリトンはリストの上位にある。 ^[43] トライデントは、トリトンの大気や、ボイジャー2号で捉えられた表面の噴煙の活動に関する知識を深めるのに劇的に役立つだろう。また、月の表面レベルに関する知識を得て、そこで起こっているプロセスを解明するのにも役立つだろう。 ^[44]このミッションは、達成しようとしている科学的目標が3つある。それは、トリトンに地下海があるか、または過去に海があったかどうか、トリトンの再表面化に関係するエネルギー源とシンクが何であるかをさらに理解すること、そしてトリトンの表面の有機成分を調査し研究することである。 ^[45]トリトンの海を見つけるために、磁気誘導技術が使用される。海は塩分を含むため導電性があり、軌道上の宇宙船で磁気誘導技術によって検出できる。海の塩分は主に惑星の岩石に含まれる揮発性物質との分化によって得られ、これらの揮発性物質は塩化ナトリウムが主であると考えられている。 ^[33]これらの目標を達成するために、トライデントにはプラズマ分光計、スペクトル範囲が最大5μmの高解像度赤外線分光計、その他多くの機器が搭載される。 ^[44]

ネプチューン・オデッセイ・ミッションのコンセプトは、大気プローブを搭載したフラッグシップクラスの探査機で、海王星-トリトン系に送り込むことが提案されている。このミッションは2031年頃に打ち上げられ、SLS（スペース・ローンチ・システム）または同等の打ち上げロケットに搭載される。宇宙船は木星の重力アシストを利用して、その後13年間かけて海王星-トリトン系の目的地まで巡航し、研究を行う。このミッションでは、氷惑星の内部と大気がどのように形成され進化するのか、トリトンは海洋惑星なのか、ボイジャー2号で見られる噴煙の原因は何なのか、トリトンの地球物理学が冥王星などの準惑星に関する知識の拡大にどのように役立つのか、といった疑問に答えようとする。[1] このミッションで行われる測定には、磁場、重力調和関数、分光法、可視画像装置、イオンと電子、中性質量分析、ダストなどがある。

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