大気のスーパーローテーション

大気の超回転とは、惑星の大気が惑星自体よりも速く回転する現象です。この現象は、金星、タイタン、木星、土星の大気で観測されています。金星は最も極端な超回転を示し、その大気は地球の 4 日で惑星の周りを一周します。これは、惑星の自転周期である 243 地球日よりもはるかに速いです。大気の超回転の現象は、惑星の気候と大気の力学に影響を及ぼす可能性があります。

スーパーローテーションを理解するには、大気の波動と不安定性の役割が重要です。ロスビー波やケルビン波などのこれらのダイナミクスは、大気内での運動量とエネルギーの伝達に不可欠であり、スーパーローテーションの維持に貢献しています。たとえば、金星では、熱潮汐と惑星規模のロスビー波の相互作用が、急速なスーパーローテーションの風に大きく寄与していると考えられています。同様に、地球の大気では、ケルビン波が赤道に沿って東向きに発生し、エルニーニョ南方振動などの現象に重要な役割を果たしており、大気科学におけるこれらのダイナミクスのより広範な意味を示しています。[1][2]

金星の大気は、極端なスーパーローテーションの顕著な例です。金星の大気は、わずか4地球日で惑星を一周します。これは、金星の恒星日である243地球日よりもはるかに速いです。^[1]金星のスーパーローテーションの最初の観測は、地球に基づいていました。現代のGCMモデルと観測は、過去の古代の気候を調べることで強化されることがよくあります。金星が地球と同様の大気質量を持っていると想定されるモデルでは、SS-AS循環は、古代のより薄い大気でのスーパーローテーションよりも優勢だった可能性があります。^[2]

タイタンの成層圏に存在する超回転は、ボイジャーIRIS、カッシーニCIRIS、恒星の掩蔽と温度の観測、およびホイヘンス探査機の電波信号のドップラーシフトによって推定されている。^[3]ボイジャーIRISの測定から確立された緯度圧力勾配は、大気の超回転を生成するのに十分であった。^{[4]タイタンの成層圏帯状風は100-200 ms −1}のオーダーで観測され、^[5]地球上の最も高い帯状風の約60-70 ms ⁻¹よりも速い。タイタンの超回転における黄道傾斜角の影響に関する疑問は、動的バランスを達成するために同様の遠心加速度を共有している金星と比較されることが多い。黄道傾斜角によって影響を受けるタイタンと金星の季節変動は大きく異なり、金星の黄道傾斜角は2.7°と小さいため、強い季節的影響は打ち消される。タイタンの傾斜角は26.7°で、成層圏の回転に季節変動を引き起こすのに十分な高さです。^[4]タイタンを含むガス惑星のスーパーローテーションをモデル化する試みは数多く行われてきました。1980年代のタイタンの最初の観測では、衛星を覆う低コントラストの光化学ヘイズのため、大気内の循環に関する情報はほとんど明らかになりませんでした。1990年代の最初の一般循環モデル（GCM）は、さらなる観測でタイタンで予想される成層圏の特性に関する洞察を提供し、最大200 m/sの風を伴うスーパーローテーションを予測しました。^[6]スーパーローテーションは、気象力学研究所（LMD）によって作成された最初の3DタイタンGCMによってサポートされており、そこではボイジャーと最近のカッシーニの観測に類似した大気が使用されました。

成層圏のスーパーローテーションをうまくシミュレートできる最新の GCM は TitanWRF です。全球気象、研究、予報 (WRF) モデルとして設計された PlanetWRF をモデルにした TitanWRF は、惑星物理学と一般化されたパラメータを追加して、スーパーローテーションのモデルを作成しました。TitanWRF v2 で行われた作業では、成層圏の緯度温度、帯状風ジェット、スーパーローテーションの勾配をシミュレートできました。^[3] TitanWRF v2 シミュレーションを一定の太陽強制力 (季節サイクルが除去された) モデルと比較すると、^[7]後者では、数年のタイタンで 100 m/s を超える急速な回転の増加が起こったことが示されました。これらの古い強制力モデルのパラメータは、より現実的な TitanWRF モデルと比較して、初期のスーパーローテーションの生成に関与するメカニズムが大きく異なります。初期のスピンアップ後、定常状態が生成されると、さまざまなモデル間で類似点が生まれますが^[3]、モデルの最終状態ではまた異なります。超回転までのスピンを生成する最初のメカニズムは、この領域内でモデル間の相関関係が大きく異なるため、依然として進行中の疑問です。

木星と土星の目に見える雲頂は、大気のスーパーローテーションの存在を示す、深層大気循環のさらなる証拠を提供します。^[8]特に木星のオーロラは、その神秘的な輝きと変化する雲の深さを通して、惑星の急速な大気の動きを際立たせます。

地球では、熱圏が表面回転速度を上回るわずかな正味の超回転を起こす現象がある。この現象の大きさはモデルによって大きく異なる。 ^{[9] [10] [11]一部のモデルは、}地球温暖化により将来的に超回転が増加する可能性があり、地表風のパターンが変化する可能性があると示唆している。 ^{[12] [13]}簡略化された GCM モデルでは、赤道超回転は傾斜や熱帯加熱異常の追加なしに発生する。^[5]現在、東向きのコリオリトルクと西向きのトルクのカウンターバランスにより、熱帯対流圏上部の亜回転が維持されている。このことから、過去の古代の気候ではより温暖で熱帯の波源があり、地球の大気は超回転していた可能性があるという見通しが導かれる。^[14]

惑星大気の超回転は、太陽系外惑星、特にホット ジュピターの研究にまで及んでいます。これらの遠方の惑星は恒星の近くを周回しており、しばしば超回転を含む極端な大気条件を示し、それが熱構造や居住可能性に影響を与えます。ハッブル宇宙望遠鏡などの望遠鏡による観測により、一部のホット ジュピターでは時速数千キロメートルの超回転風速が明らかになりました。さらに、この現象はホット ジュピターが潮汐ロックされ、片側が恒星に面していることを示唆しています。これは惑星の熱分布のメカニズムを示唆しており、惑星の気候条件とパターンを理解する上で重要な要素となっています。^{[15] [16]}