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| 夜光雲 | |
|---|---|
 | |
| 略語 | NLC/PMC |
| 高度 | 76,000～85,000メートル （250,000～280,000フィート） |
| 分類 | 他の |
| 降水量 | いいえ |
夜光雲（NLC）または夜光雲[1]は、地球の上層大気に生じる薄い雲のような現象である。宇宙から見ると、極中間圏雲（PMC）と呼ばれ、夏の極中間圏界面付近の水氷結晶の拡散散乱層として検出できる。氷結晶で構成され、地上からは天文薄明時にのみ見える。夜光とはラテン語で「夜の輝き」を意味する。夏季に±50°から±70°の緯度で観測されることが多い。日中には薄暗すぎて見えないため、観測者と大気の下層が地球の影に入っているが、これらの非常に高い雲がまだ日光を浴びている場合にのみ見える。最近の研究では、大気中のメタン排出量の増加により、メタン分子が中間圏に到達すると化学反応によって水蒸気がさらに生成され、夜光雲が形成されるか、既存の夜光雲が強化されることが示唆されている。[2]
これらは地球の大気圏で最も高い雲であり、高度約 76 ～ 85 km (249,000 ～ 279,000 フィート) の 中間圏に位置します。
一般的な
1885年以前には確認された観測記録はないが、数十年前にはトーマス・ロムニー・ロビンソンがアーマーで観測していた可能性がある。[3]現在ではロビンソンの季節外れの記録には疑問が持たれており、その理由の一部は、2013年2月のチェリャビンスクの超球面彗星の進入後（NLCシーズン外）、実際には日没後に見えた成層圏の塵の反射であったNLCのような現象が北半球高緯度周辺のいくつかの地点で観測されたことによる。[要出典]
形成
夜光雲は直径100nm以下の 微小な水氷結晶で構成されており[4]、高度約76～85km（249,000～279,000フィート）[5] 、地球の大気圏にある他のどの雲よりも高い場所に存在します。 [6]地球の下層大気の雲は粒子に水が集まることで形成されますが、中間圏雲は塵粒子に形成されるだけでなく、水蒸気から直接形成されることもあります[7]。[8]
中間圏氷の大気圏観測衛星のデータによると、夜光雲の形成には水蒸気、塵、極低温が必要であることが示唆されている。[9]上層大気中の塵と水蒸気の発生源は確実にはわかっていない。塵は微小隕石から来ると考えられているが、火山からの微粒子や対流圏からの塵も可能性がある。水分は対流圏界面の隙間から持ち上げられる可能性があり、また成層圏でのメタンとヒドロキシルラジカルの反応によって形成される可能性もある。[10]
1981年から2011年まで使用されていたスペースシャトルの排気ガスは、高度約46km（151,000フィート）で固体ロケットブースターが切り離された後、ほぼ完全に水蒸気であったが、小さな個々の雲を生成することがわかった。蒸気の約半分は、通常高度103〜114km（338,000〜374,000フィート）の熱圏に放出された。 [11] 2014年8月、スペースXの ファルコン9も打ち上げ後にフロリダ州オーランド上空で夜光雲を引き起こした。 [12]
排気ガスは1日強で北極圏まで運ばれるが、この超高速移動の正確なメカニズムは不明である。水が北へ移動すると、熱圏からそのすぐ下の大気圏を占めるより冷たい中間圏へと落ちていく。[13]このメカニズムは個々の夜光雲の原因ではあるが、現象全体の大きな要因とは考えられていない。[10]
中間圏は水分が非常に少なく、サハラ砂漠の空気の約1億分の1であるため[14]、極めて薄いため、氷の結晶は約-120℃（-184℉）以下の温度でのみ形成されます。[10]つまり、夜光雲は主に夏に形成されますが、直感に反して、季節によって変化する垂直風の結果として中間圏が最も寒くなり、夏は中間圏上部が寒くなり（湧昇と断熱冷却）、冬は加熱されます（沈降と断熱加熱）。したがって、この季節、これらの緯度では太陽が地平線の下に十分低くないため、極圏内では夜光雲を観測することはできません（存在していても） 。 [15]夜光雲は主に極地付近で形成されますが、[8]中間圏が最も寒いためです。[15]南半球の雲は北半球の雲よりも約1km（3,300フィート）高くなります。[8]
太陽からの紫外線は水分子を分解し、夜光雲の形成に利用できる水の量を減らします。紫外線は太陽周期とともに周期的に変化することが知られており、衛星は過去2回の太陽周期にわたって紫外線の増加に伴う雲の明るさの減少を追跡してきました。雲の変化は紫外線の強度の変化に約1年遅れて起こることがわかっていますが、この長い遅れの理由はまだわかっていません。[16]
夜光雲は、 50MHzから1.3GHzの周波数範囲で 高いレーダー反射率を示すことが知られています。[ 17 ]この動作は十分に理解されていませんが、氷の粒子がナトリウムと鉄からなる薄い金属膜で覆われ、雲のレーダー反射率がはるかに高くなるという説明が可能ですが、[17]この説明は依然として議論の余地があります。[19]ナトリウムと鉄の原子は、飛来する微小流星からはがれて夜光雲の高度より少し上の層に沈着しますが、測定により、これらの元素は雲が存在すると大幅に減少することが示されています。他の実験では、夜光雲の極端に低い温度では、ナトリウム蒸気が氷の表面に急速に沈着できることが実証されています。[20]
発見と調査
夜光雲は、 1883年のクラカタウ火山の噴火から2年後の1885年に初めて観測されたことが知られています。[8] [21]夜光雲の出現が火山の噴火と関係があったのか、それとも大気中の火山の残骸によって引き起こされた壮大な日没を観察する人が増えたために発見されたのかは不明です。研究によると、夜光雲は火山活動だけで発生するのではなく、噴火によって塵や水蒸気が上層大気に注入され、夜光雲の形成に寄与している可能性があります。[15]当時の科学者は、この雲は火山灰の別の現れであると想定していましたが、火山灰が大気から沈殿した後も夜光雲は発生し続けました。[14]最終的に、雲が火山の塵でできているという説は、1926年にマルゼフによって反証されました。[21]発見から数年後、雲はドイツのオットー・イェッセによって徹底的に研究され、1887年に初めて写真を撮影し、「夜光雲」という用語を作った人物のようです。[22] [4]彼のメモには、夜光雲が最初に現れたのは1885年であったという証拠があります。彼は前年のクラカタウ火山の噴火によって引き起こされた異常な日没を詳細に観察しており、もしその時に雲が見えていたなら、間違いなくそれに気づいていただろうと固く信じていました。[23]雲の体系的な写真観測は、1887年にイェッセ、フェルスター、シュトルツェによって組織され、その年以降、ベルリン天文台で継続的な観測が行われました。[24]この研究中に、三角測量によって雲の高さが初めて決定されました。[25]このプロジェクトは1896年に中止されました。[要出典]
1901年にオットー・イェッセが亡くなってから数十年経っても、夜光雲の性質に関する新たな知見はほとんどなかった。ウェゲナーの、夜光雲は水氷でできているという推測は、後に正しいことが示された。[26]研究は地上観測に限られており、科学者は1960年代にロケットによる直接測定が始まるまで、中間圏についてほとんど知識を持っていなかった。これにより、雲の発生が中間圏の非常に低い温度と一致していることが初めて示された。[27]
夜光雲は、1972年にOGO -6衛星の機器によって宇宙から初めて検出されました。OGO -6による極冠上の明るい散乱層の観測は、これらの雲の極方向への延長であると特定されました。 [28]その後の衛星である太陽中間圏探査機は、紫外線分光計を使用して1981年から1986年までの雲の分布を地図に示しました。[28]雲は、肉眼では見えなかったものの、 1995年にユタ州立大学でライダーによって検出されました。 [29]水氷が夜光雲の主成分であることが初めて物理的に確認されたのは、2001年に上層大気研究衛星のHALOE機器によるものでした。[30]
2001年、スウェーデンの オーディン衛星は雲のスペクトル分析を行い、雲の分布に大きなパターンがあることを明らかにした毎日の地球地図を作成しました。[31]
AIM（中間圏氷の大気文学）衛星は2007年4月25日に打ち上げられた。 [32]これは夜光雲の研究に特化した最初の衛星であり、[33] 1か月後の5月25日に最初の観測を行った。[34]衛星が撮影した画像には、対流圏雲の形状に似た雲の形状が示されており、それらの力学における類似性を示唆している。[4]
前年、マーズ・エクスプレス計画の科学者らは、火星で二酸化炭素結晶の雲が惑星表面から100km（33万フィート）上空まで広がっているのを発見したと発表した。これは岩石惑星の表面で発見された雲の中で最も高い位置にある雲である。地球の夜光雲と同様に、太陽が地平線の下にあるときにのみ観測できる。[35]
2009年6月にGeophysical Research Letters誌に掲載された研究によると、1908年のツングースカ事件後に観測された夜光雲は、衝突が彗星によって引き起こされた証拠であると示唆している。[36] [37]
アメリカ海軍研究所（NRL）と米国防総省 宇宙試験プログラム（STP）は、2009年9月19日に荷電エアロゾル放出実験（CARE）を実施し、NASAのワロップス飛行施設から打ち上げられたブラックブラント XII弾道探査ロケットの排気粒子を使用して人工の夜光雲を作り出した。この雲は、地上の機器とNRL/STPのSTPSat-1宇宙船に搭載されたSHIMMER（中間圏ラジカル用空間ヘテロダインイメージャー）機器によって数週間から数ヶ月にわたって観測されることになっていた。[38]ロケットの排気煙は、ニュージャージー州からマサチューセッツ州まで米国の報道機関に観測され、報道された。[39]
2018年の実験では、アラスカ上空に短時間の夜光雲を発生させ、地上での測定と、現象のコンピューターシミュレーションを検証するための実験が可能になった。2018年1月26日、アラスカ大学のリチャード・コリンズ教授によってNASAの弾道ロケットが打ち上げられた。ロケットには水を満たした容器が搭載されており、地球から約53マイル（85 km）上空で放出された。自然に発生する雲は夏にしか現れないため、この実験は、その結果が自然現象と混同されないように真冬に実施された。[40]
衛星からの説明
地上から観測されるこの現象は、夜光雲として知られています。衛星から見ると、夜光雲は緯度 70 ～ 75 度以上で最も頻繁に観測され、夏至の約 20 日後にピークを迎える 60 ～ 80 日間の季節があります。これは、両半球に当てはまります。散乱には日ごと、年ごとに大きな変動が見られますが、大きな時間および空間スケールで平均化すると、基本的な対称性とパターンが明らかになります。極中間圏雲の頻度の長期的な挙動は、太陽活動と反比例して変化することがわかっています。
PMC には、物理的構造と外観に基づいて 4 つの主要なタイプがあります。タイプ I のベールは非常に薄く、明確な構造がなく、巻層雲または定義の曖昧な巻雲に似ています。[41]タイプ II の帯は長い筋で、多くの場合、ほぼ平行に配置されたグループで発生します。それらは通常、巻積雲で見られる帯または要素よりも広い間隔で配置されています。[42]タイプ III の波は、ほぼ平行な短い筋が密集して配置されたもので、ほとんどが巻雲に似ています。[43]タイプ IV の渦は、暗い中心を持つ部分的な、またはまれに完全な雲のリングです。[44]
中間圏雲を大気圏上で観測する場合、地上から観測する際の幾何学的制限は大幅に軽減されます。昼間でも、比較的暗い空を背景に、雲を真横から観測できます。雲層の下約 1 度にある非常に明るい地球からの干渉を避けるために、光度計の視野を十分に遮る必要があります。200 ～ 300 nm のスペクトル領域の紫外線では、地球のこの部分のアルベドが非常に小さいため、照らされた地球の明るい背景に対して雲を観測することは達成されていますが、はるかに困難な作業です。
アメリカとソ連の宇宙飛行士は、1970 年という早い時期に宇宙からこの現象を観測しました。ほとんどの観測は軌道の夜側から報告されており、観測者は薄明領域を向いています。このとき、観測者の目は暗闇に順応しており、極域の中間圏雲は比較的暗い背景に対して最大のコントラストで現れます。ソ連の宇宙飛行士は、太陽が地平線の上にあるときでも中間圏雲を目撃したと報告しています。
衛星観測により、極域中間圏の最も寒い部分を地理学的極に至るまで観測することができます。1970年代初頭、可視光光度計が初めて夏の極域中間圏領域全体の大気の地平線をスキャンしました。[45] OGO-6衛星で飛行したこの実験は、極冠全体の夜光雲のような雲層を追跡した最初の実験でした。非常に明るい散乱層は真昼の状態で見られ、夜光雲の極方向への延長であると特定されました。1980年代初頭、この層は衛星Solar Mesospheric Explorer（SME）によって再び観測されました。この衛星には紫外線分光計が搭載されており、1981年から1986年までの期間の雲の分布をマッピングしました。この実験では、2つのスペクトルチャネル（主に）265 nmと296 nmで雲からの散乱の高度プロファイルを測定しました。[46]この現象は現在、極中間圏雲として知られています。
極域中間圏雲の一般的な季節特性は、5 年間の継続的な SME データから十分に確立されています。その期間に、北半球では 4 つの雲「季節」、南半球では 5 つの雲「季節」のデータが記録されました。両半球において、季節は夏至の約 1 か月前に始まり、約 2 か月後に終わります。可視時間の変化、気象条件などの要因による偏りがないため、これは「真実の」動作です。これは、夏季の中間圏領域がこの期間に最も寒くなり、水氷が形成されるという事実の結果であると考えられています。これとは対照的に、大気の他のほとんどの領域は夏季に最も温暖です。検出境界の赤道側の緯度では、水氷が形成されるほど気温が低くなることはありません。
極中間圏雲は一般に、緯度が約 60 度から観測された最高緯度 (85 度) まで高くなるにつれて、明るさと発生頻度が増します。これまでのところ、経度への明らかな依存性は見つかっておらず、オーロラ活動への依存性の証拠もありません。[47]これは、極中間圏雲の制御が地磁気要因ではなく地理的要因によって決定されることを示しています。極中間圏雲と夜光雲の明るさは、両方が観測される緯度では一貫しているように見えますが、極近くの極中間圏雲は、宇宙から見た低空の背景を考慮しても、夜光雲よりもはるかに明るくなります。極中間圏雲の観測により、夜光雲のピーク発生日が緯度とともに北に移動するよく知られた現象は、緯度とともに夜光雲の可視時間が増えることと、シーズンの終わりに向けて境界が実際に北に後退することによることが明らかになっています。
2018年7月8日、NASAはスウェーデンのエスレンジから巨大な気球を打ち上げ、 5日間で北極圏を横断してカナダのヌナブト準州西部まで成層圏を通過した。この巨大気球にはカメラが搭載されており、120テラバイトのデータストレージを埋め尽くす600万枚の高解像度画像を撮影し、山脈によって中間圏まで押し上げられた空気から生じる大気重力波の影響を受けるPMCを研究することを目指した。これらの画像は大気中の乱気流の研究に役立ち、結果として天気予報の改善につながるだろう。[48] [49]
NASAはAIM衛星を使って、夏季に極地付近で常に発生する夜光雲を研究している。しかし、 AIM衛星のトモグラフィー解析によると、アルベドと波動高度の間には空間的な負の相関関係があることが示唆されている。 [50]
観察
夜光雲は一般的に無色または淡い青色であるが、[51]時折、赤や緑などの他の色が観測されることもある。[52]特徴的な青色は、夜光雲を照らす太陽光の進路にあるオゾンによる吸収によるものである。 [53]夜光雲は特徴のない帯状のように見えることもあるが、[51]縞模様、波のようなうねり、渦巻きなどの特徴的な模様を示すこともよくある。[54]「美しい自然現象」と考えられている。[55]夜光雲は巻雲と混同されることがあるが、拡大するとより鮮明に見える。[51]ロケットの排気ガスによって生じる夜光雲は、銀色や青色以外の色を示す傾向がある。[52]これは、生成される水滴の大きさが均一であることによる虹彩のためである。[56]
夜光雲は緯度50度から65度で見られる。 [57]低緯度ではめったに発生せず（パリ、ユタ、イタリア、トルコ、スペインなど南では目撃されているが）[51] [58] [59] [60]、極地では雲が見えるほど暗くならない。[61]夜光雲は夏季に発生し、北半球では5月中旬から8月中旬、南半球では11月中旬から2月中旬に発生する。[51]夜光雲は非常にかすかで薄く、下層大気の雲が影になっているが夜光雲は太陽に照らされている日の出と日の入りの頃の薄明かりの中でのみ観測される。[61]太陽が地平線下6度から16度にあるときに最もよく見える。[62]夜光雲は両半球で発生しますが、北半球では数千回観測されているのに対し、南半球では100回未満です。南半球の夜光雲はより暗く、発生頻度も低く、さらに南半球は人口が少なく、観測できる陸地面積も少ないです。[15] [63]
これらの雲は地上、宇宙、そして観測ロケットによって直接観測される。また、夜光雲の中には30nm以下の小さな結晶でできているものもあり、十分な光を散乱しないため地上の観測者には見えない。[4]
フォーム
雲は多種多様なパターンや形を呈することがあります。1970年にフォグルによって5つの異なる形態を分類する識別体系が開発されました。これらの分類はその後修正され、さらに細分化されました。[64] 最近の研究の結果、世界気象機関は現在、さらに細分化できる4つの主要な形態を認識しています。
- タイプIのベールは非常に薄く、明確な構造を欠いており、巻層雲や定義の曖昧な巻雲に似ています。[65]
- タイプIIの帯状雲は長い筋状の雲で、ほぼ平行なグループで発生することが多く、通常は巻積雲に見られる帯状雲や雲要素よりも間隔が広いです。[66]
- タイプIIIの波は、ほぼ平行な短い筋が密集して配置されたもので、ほとんどが巻雲に似ています。[67]
- タイプIVの渦は、暗い中心を持つ部分的な雲の輪ですが、まれに完全な輪になることもあります。[68]
参照
引用
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- ^ ロビンソンは 1849 年から 1852 年にかけて一連の興味深い観察を行っており、1850 年 5 月の 2 つの記録には夜光雲について記述されている可能性がある。1850 年 5 月 1 日、彼は「北西にオーロラではなく奇妙な光る雲」について記している。5 月初旬は典型的な NLC の「発生期間」外であるにもかかわらず、これは NLC のように見える。しかし、この期間内にアーマーの緯度で NLC が発生する可能性があるため、可能性は残っている。
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一般的な参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、夜光雲に関連するメディアがあります。
- NLCタイムラプスムービー
- AIM衛星ミッション
- BBCニュース記事 - 最も高い雲をターゲットにしたミッション
- 夜光雲観測者のホームページ
- 氷観測のための太陽掩蔽実験 (SOFIE)
- チリのプンタアレナスで観測された南半球の夜光雲 2020-08-05ウェイバックマシンにアーカイブ
- NASA 天文写真集: スウェーデン上空の夜光雲 (2006 年 7 月 18 日)
- BBC記事 - 宇宙船が最高高度の雲を追跡
- CNN記事 - ロケット打ち上げで空に奇妙な光が見えるという報告が相次ぐ
- BBCニュース - オーディオスライドショー: 夜光雲
- ロシアのサマラで観測された夜光雲のタイムラプス動画の再生リスト