共同研究・競争的資金等の研究課題

金星の気候形成に関わる物質輸送と、それを支配する地表から均質圏界面に至る子午面循環の構造は依然として理解されていない。本研究では、新たな観測情報を活用し、放射・物質輸送や対流過程の改良を含む数値モデルの高度化を進め、これらをもとに金星大気のデータ同化に新たな手法を導入して新規研究を大規模展開する。このことにより、波動や対流といった大気擾乱が子午面循環を駆動する力学過程を精査し、地表から均質圏界面までの子午面循環の構造を明らかにする。硫酸雲を支配する化学物質輸送や、水の消失に関わる均質圏界面に至る上方輸送、そしてそれらがもたらすであろう金星気候の長期変動を紐解くことを目指す。

金星の全球的な高速東西風 (スーパーローテーション) は，発見から半世紀を経た現在もその維持メカニズムが解明されていない惑星気象学最大の謎のひとつである。金星スーパーローテーションの維持メカニズム解明の鍵は子午面循環と大気波動であるが，その3次元構造の直接観測は極めて困難である。本研究では，金星大気中の硫酸雲とその材料物質 (微量成分) の3次元的な同時分布の観測を実現し，それを再現する雲化学GCM (大気大循環モデル) を開発することにより，子午面循環・大気波動の3次元構造を明らかにし，スーパーローテーションの維持メカニズムを解明する。 ■金星大気大循環モデル (GCM) で得られた短周期擾乱について解析を進め，5.8日波が赤道ジェットを作り，それを7日波が解消することによって，下部雲層の東西平均流に周期280日程度の準周期的な変動が作られることを明らかにした。この結果はあかつきの観測 (Horinouchi et al., 2017) をよく説明する。7日波は赤道ジェットのシア不安定によって励起され，赤道反対称な構造を持つことなども明らかにした。 ■大気微量成分として H2O, H2SO4, CO, SO3 に着目し，大気化学モデルの作成に着手した。また，長波放射モデルを精査したところ，大気による赤外線の吸収が過小であることが確認された。その原因を特定するために，吸収線の評価の再確認と吸収線データベースの見直しを行った。 ■大気微量成分 (CO, SO2, OCSなど) の時空間分布を把握するため，ハワイ・マウナケア山頂に設置された赤外線望遠鏡IRTFを用いた金星大気の集中的な観測を実施した。波長2ミクロン帯から4ミクロン帯にかけての広い波長域で高分散分光スペクトルを取得することにより，COおよびOCSといった，大気化学的に密に関連し合う複数の分子種を同時に観測することに成功した。また，2月には中間赤外線高分散分光器TEXESを用いて，雲層上部におけるSO2およびHDOの複数日間の時間変動を観測した。 ■あかつき搭載の中間赤外線カメラ (LIR) の観測データに見られた長期的な温度上昇ドリフトを検討し，その原因がカメラ感度の劣化であることを特定した。キャリブレーション手法を確立し，温度ドリフトが解消されることを確認した。改善されたLIRデータを用いて一日潮成分に600-800日程度の明確な振幅変動が存在することを初めて示し，平均温度やアルベド変化，東西風との関連性を調べた。 ■惑星規模波動の研究を進め，あかつき観測によって示唆された雲層中の平均東西風 (スーパーローテーション) の変動が，平均東西風のシア不安定で励起される5.8日波と7日波によって作られることを明らかにした。これはスーパーローテーションの維持メカニズムを解明する上で重要な成果である。 ■大気化学モデルおよび雲物理モデルの開発・改良は概ね予定通りに進捗している。力学GCMの改良では，大気化学モデルおよび雲物理モデルと統合した際にもっとも問題になる温度バイアスを改善するために，定圧比熱の温度依存性をGCMに導入するための作業を行っている。定圧比熱のモデル化は概ね完了し，試験的な数値シミュレーションによってパフォーマンスを確認している。 ■地上観測ではハワイ・マウナケア山頂に設置された赤外線望遠鏡IRTFおよび中間赤外線高分散分光器TEXESを用いた大気微量成分の時空間分布に関する観測に成功し，期待以上の観測データが得られた。現在，解析作業も順調に進捗している。また，金星探査機あかつきのデータ解析において問題になっていたLIRの温度上昇ドリフトの原因が特定され，バイアスの除去に成功した。これにより，熱潮汐波および短周期擾乱の長周期変動が正確に解析可能になり，熱潮汐波 (一日潮) に明確な長周期変動が存在することが初めて示された。これらの知見は，金星大気スーパーローテーションの維持メカニズムの解明の手がかりになることが期待される。 ■惑星規模波動の解析を進め，波の運動量と熱の輸送が金星大気大循環に与える影響を明らかにする。 ■大気化学モデルの開発と雲物理GCMへの導入を進め，試験的な数値シミュレーションを実施することにより，モデルパラメータの最適化を行う。硫酸濃度をモデル中で決定するための改良を継続する。 ■長波放射モデルの計算手法の問題点を特定し，モデルを修正する。期待した結果が得られたら短波放射モデルの精度の確認も行う。それらの修正・確認作業が完了したら，雲物理GCMへの統合作業を実施する。 ■モデルで得られている温度や風速に見られる変動周期特性の関連性を調査し，大気全体の変動特性を明らかにする。モデルによる再現や比較に資する形にこれまでの観測データを統合する。長期変動の原因を明らかにするとともに，金星大気中での運動量や熱の輸送の実態を明らかにする。 ■地上望遠鏡によって取得した観測データの解析を進める。その際，金星大気微量成分の吸収線スペクトルを正しく計算できるような金星大気放射伝達モデルを整備する。また，これまでの観測で得られた知見を整理し，大気大循環モデルの化学種として取り込めるような気候値を作成する。改善されたLIRデータを用いて熱潮汐波や短周期擾乱を再解析し，GCMの結果とも比較しながら，長周期変動の原因を明らかにする。

大気重力波は、運動量やエネルギーを輸送、再分配し、惑星大気において重要な働きを担う。近年、観測と数値モデルの両面で高解像度化が進み、地球大気の重力波が解像できるようになりつつある。しかし、金星大気においては、重力波の励起、伝播、散逸の諸過程に関する理解はほとんど得られていない。本課題では、階層的な数値モデルを用いて、金星大気の重力波の諸過程を包括的に解明する。様々な励起源からの重力波をモデル内で再現・定量化し、さらに自発的放射も含めた新しい重力波パラメタリゼーションを構築することが最終的な目標である。

世界初の本格金星気象撮像探査機「あかつき」の軌道投入以前、金星大気の観測は断片的であり、数値モデルには仮定が多く、スーパーローテーション(四日循環)の存在に象徴される金星大気の循環構造はほとんど未知であった。本研究では、我々が開発を進めてきた地球シミュレータ上の金星大気大循環モデル(AFES-Venus)を元に金星大気データ同化システム(ALEDAS-V)を構成し、「あかつき」観測と矛盾せず力学的に辻褄のあった金星大気循環場の生成を試みる。金星大気中の未知な擾乱を同定し、その分布と角運動量輸送、物質輸送と雲構造などを明らかにしスーパーローテーションにいたる金星大気大循環の構造を解明する。

近年、金星探査機「あかつき」により、カメラ観測に基づく東西風速や温度の水平分布に関する観測データは蓄積されつつある。しかし一方で、電波掩蔽観測は頻回に行うことは出来ず、温度の鉛直分布に関する観測データは十分に存在しない。 本研究では, あかつきに続く今後の金星探査を見据えて、地球シミュレータ上の金星大気大循環モデル (AFES-Venus) を元に開発された金星大気データ同化システム (ALEDAS-V) を用いて観測システムシミュレーション実験を行い、金星の周囲に複数の小型衛星を配置した衛星間の電波掩蔽観測の実現可能性と有効性を検証する。 複数の小型衛星を用いた衛星間電波掩蔽観測は、金星を全球的に覆う厚い雲層にさえぎられることなく、鉛直温度分布を全球的に高頻度で観測できることが期待される。令和２年度は、研究協力者である五十里助教・川端研究員（東京大学）、及びAo博士（ジェット推進研究所、カリフォルニア大学）が軌道計算を行って算出した観測点に対して観測システムシミュレーション実験(OSSE)を行い、その軌道の有効性を調査した。五十里助教等が算出した全球的に観測点を配置した実験では、疑似観測データとしてスーパーローテーションの速度を調整した金星大気大循環モデル(AFES-Venus)の出力を用いた結果、①スーパーローテーションの速度が改善された。Ao博士が算出した極域に観測点を多く配置した実験では、疑似観測データとして研究協力者であるLebonnois 博士(LMD, フランス気象力学研究室)から提供を受けたコールドカラーを再現した金星大気大循環モデル(LMD-VGCM)の出力を用いた結果、 ②コールドカラーが再現された。 金星探査機「あかつき」の観測では、UVIカメラの雲追跡画像による水平風速、LIRカメラによる温度の水平分布のデータ等の取得が実現しつつある。令和２年度は、あかつきの観測上の制約を取り払い、観測範囲（昼面、夜面、観測緯度帯）、観測頻度をさまざまに変えてOSSEを行い、その観測の有効性を調査した。疑似観測データとして研究協力者である山本准教授（九州大学）から提供を受けた惑星規模赤道ケルビン波を励起させた金星大気大循環モデル(MIROC-VGCM)の水平風速の出力を用いた実験では、③赤道ケルビン波が再現された。また、疑似観測データとして熱潮汐波の位相をあかつき観測に近づけたAFES-Venusの温度の出力を用いた実験では、④熱潮汐波の位相が改善された。 本研究は、衛星軌道や観測条件を様々に設計し、ターゲットとする大気現象が適切に表現されたモデル出力から疑似観測データを作成し、データ同化を実行してその観測を評価する、という３つの研究を再帰的に繰り返し、適切な観測条件を探索するため、１つのテーマのOSSEに対して多数の試行が必要となる。令和２年度は、多くの研究者の協力を得て、衛星間電波掩蔽観測を想定した２種類のOSSEに加え、様々な波長帯におけるカメラ観測を想定した２種類のOSSEを実行した。研究計画当初に挙げた４つの大気現象（①スーパーローテーション、②コールドカラー、③惑星規模赤道ケルビン波、④熱潮汐波）の再現性調査を実施し、有効な観測条件について一連の解を示すことができた。これらの実験のうち、赤道ケルビン波再現実験（③）については国際誌に掲載され、コールドカラー再現実験（②）については国際誌に投稿中である。 さらに、金星の次期探査計画に向けたOSSEを行うにあたり、これまで行われた観測の有効性を評価し、観測の不十分な点を検証し、次期計画の観測軌道や搭載機材等にフィードバックすることは重要である。令和２年度では、金星探査機「あかつき」観測のUVIカメラの雲追跡画像から得られる水平風速のデータ同化実験を行った。その結果、熱潮汐波の位相やスーパーローテーションの速度といった大規模場の大気現象については改善され、あかつき観測の有効性が評価される一方で、あかつき観測で確認されているロスビー波やケルビン波といった惑星規模の短周期波動のデータ同化による再現性が次の課題のひとつであることが分かってきた。 これまでの成果は、国内外の学会や研究会で発表しており、次期金星探査ミッションの検討にあたっている研究者にも注目されている。そうした研究者からの要請を受け、協力してOSSEを行い、次期探査ミッションに貢献することも今後の展開として考えられる。 令和２年度で実施した惑星規模赤道ケルビン波再現実験では、山本勝准教授（九州大学）から提供受けたMIROC-VGCMの疑似観測の出力と、データ同化に使用した金星大気大循環モデル(AFES-Venus)の平均東西風が大きく乖離していることが原因で、実験結果が破綻するケースがあり、その調整に苦慮した。また、金星探査機「あかつき」観測の分析から、観測時期によって赤道ケルビン波が顕著に見られる期間、ロスビー波が顕著に観測される期間があることが分かってきている。そこで、新たに神山徹研究員（産業総合研究所）より、理論モデルを用いて赤道ケルビン波とロスビー波を顕著に再現した疑似観測の出力の提供を受け、新たなOSSEを実施し、それぞれの波擾乱を適切に再現できる観測条件を探索する。 また、令和２年度に実施した、①スーパーローテーション、②コールドカラー、③惑星規模赤道ケルビン波、④熱潮汐波、の再現実験について、国際誌への投稿や学会、研究会での発表を行い、さらなる観測条件の仔細を再実験、再検討していく。さらに、それぞれの実験について、熱潮汐波、赤道ケルビン波やロスビー波といった短周期擾乱や平均子午面循環による、運動量や熱輸送を定量化する。熱潮汐波や赤道ケルビン波がスーパーローテーションの加速に寄与し、ロスビー波が減速に寄与すると考えられていることから、スーパーローテーションの時間変動とその要因にも踏み込めるよう、新たな観測に対しての観測条件を探索する。

金星は高度50～70kmにある硫酸の厚い雲に覆われ、内部の大気運動の観測が困難である。本研究では、世界初の金星大気データ同化システムを用いて観測システムシミュレーション実験を行い、欧州と日本の将来の金星探査計画の有効性を評価し、その最適化を試みる。金星探査機「あかつき」で得られた観測成果、金星大気大循環モデル、金星大気データ同化システムのそれぞれを最大限に活用することで、金星の大気運動の力学的理解を深めるための観測計画を提案する。

GCM (大気大循環モデル)・雲微物理モデル・大気光化学モデル・MHD (磁気流体力学)モデルの結合計算を行い、また金星周回探査機が観測した雲層大気場データの同化計算も実行することで、金星の気候進化史や大気組成変動に影響を与える様々な要素を考慮した理論検証を世界に先駆けて行う。また生命材料分子の前駆物質が過去や現在の金星環境下で生成・濃集されうるかどうかを検証し、金星における生命存在可能性に迫る。

硫酸ガスの光化学生成と大気循環による水蒸気の下層大気からの供給を考慮した金星硫酸雲物理モデルを開発し，大気大循環モデル (AFES-Venus) に実装した。雲のない状態を初期状態として，T42L60 の解像度（水平方向には球面調和関数の 42 モードで関数展開，鉛直方向には 60 層で差分化）で15地球年ほど数値積分した結果，(1) Imamura and Hashimoto (1998) で指摘された低緯度下部雲層への雲の濃集はほとんどみられなかったが，(2) 極域下部雲層に顕著な濃集がみられた。(1) の違いは Imamura and Hashimoto (1998) が仮定した強い子午面循環に原因があると考えられる。すなわち，彼らのモデルでは低緯度では子午面循環に伴う強い上昇流によって雲粒の落下が妨げられ，下部雲層で雲が濃集する。(2) については現在解析を進めているところであるが，近赤外を用いた地上観測の結果 (e.g., Crisp et al., 1991) や Venus Express の電波掩蔽観測によって得られた硫酸ガスの分布は，極域に雲が濃集していることを示唆しており，こうした観測結果と整合的である。予備的な数値実験によって得られた結果は，地球大気におけるオゾン分布と同様，金星雲分布に対する大気循環の重要性を示唆した結果であると考えられる。 2017年6月に，あかつきのRS観測と全く同じ観測日時に地上サブミリ波望遠鏡（ハワイ・マウナケア山頂に設置された James Clerk Maxwell 望遠鏡）を利用した金星上層大気の観測キャンペーンを実施した。サブミリ波の波長域には金星大気を構成する大気微量成分の吸収線が多数観測できる。解析の初期結果では，あかつきRSによる気温分布とその観測場所をサブミリ波望遠鏡で観測したデータから求めた気温分布との間でよい整合性が確認された。 従来の金星雲物理過程研究が鉛直1次元や子午面内の2次元にとどまっていたのに対し，主にモード2とよばれる金星雲の物理モデルを開発し，世界にさきがけて大気大循環モデルに組み込んで数値計算を行った。その結果，高緯度から極域の非常に厚い雲構造の再現に成功し，その形成メカニズムについても研究が進展しており，金星雲分布に対する大気循環の重要性を明らかにすることができた。現在はモード1とよばれる，より小さな粒径分布をもつ雲（硫酸エアロゾル）のモデル化を進めると同時に，CO や SO，OSSO といった金星大気循環解明の鍵となりうる気体成分にも着目し，モデル開発を行っている。また，地上のサブミリ波望遠鏡で観測したデータから求めた気温分布と，あかつきRSで観測された温度との詳細な比較や，サブミリ観測データからの熱圏の風速分布の導出など，詳しい解析を行っている。 硫酸濃度をモデル中で適切に診断し，モード1およびモード2の金星雲の両方を適切に扱うための改良を行う予定である。また，CO や SO など，観測との直接比較が可能な気体成分のモデル化と，大気大循環モデルへの組み込みを進める。超高解像度 GCM データに基づく重力波解析を進展させ，雲層高度から上下に放射される重力波を適切にパラメタライズ可能な方法を考察する。熱圏の風速・温度分布解明のために，海外の研究機関とも連携しながら，地上観測および観測データの詳細な解析を引き続き継続し，次期連携観測キャンペーンの観測計画の立案を行っていく。

あかつきIR2カメラの発見した惑星規模筋状構造を，高解像度GCMシミュレーションによって再現することに成功し，その成因が高緯度の傾圧不安定とそれが形成するジェットおよびロスビー波であることを明らかにした (Kashimura et al., 2019)。大気スーパーローテーションの基礎的研究を実施し，鉛直渦粘性の重要性に関する結果を得た (Sugimoto et al., 2019)。あかつき・地上観測とモデリングの比較を進めるため，金星GCMに雲物理過程を導入し，雲や水蒸気・硫酸蒸気の時空間分布を計算した。従来の赤外線観測や電波掩蔽観測と整合的な結果が得られており，国際研究雑誌への論文投稿準備を進めている。放射輸送モデルを改良するため，高温高圧な金星大気に対応した気体吸収過程を放射コードに導入した。熱赤外の波数領域を拡大し，幅広い気温変化に対応するためにプランク関数の計算法も改良した。あかつき観測データの精度を改善するため，あかつき観測画像から観測時の衛星位置・姿勢を補正し，より正しいジオメトリ情報を取得できる手順を確立した。あかつき以外の惑星探査機においても宇宙空間でカメラ感度の評価を行えることを示し，惑星探査機による観測データの精度向上に寄与できることを示した。あかつきデータの解析により，赤外と紫外で観測した雲形態と風速を比較した結果，Y模様は赤外で見えず，1000 kmスケール鋭構造は紫外では見えないこと，赤外の西向風速は紫外風速より遅いといった結果を得た。さらに，地上赤外観測で取得したSO2分布画像に関して，ほぼ同時に取得されたあかつきUVIの金星アルベド画像との比較を行った結果，SO2存在量と紫外アルベドのあいだに非常によい相関があることがわかった。赤外観測は金星の昼夜を問わずに観測が可能であることから，昼夜を連続的に議論することが可能となる。 金星探査機「あかつき」および地上望遠鏡の観測と数値モデリングとの比較による研究を複数テーマについて実施し，IR2カメラが発見した金星夜面のストリーク構造の成因が，雲層高度の中高緯度に存在する傾圧不安定波と，それが誘導するジェットおよび高緯度に存在するロスビー波であることを明らかにするなど，金星大気力学に関する重要な研究結果を得た。また，GCMによるパラメータ実験では，無風状態からの大気スーパーローテーションの生成に成功し，生成過程における鉛直渦粘性の重要性を明らかにした。LIRカメラの観測結果から得られつつある熱潮汐波や，IR1カメラが発見した下部雲層の鋭構造（雲の厚さの急激な変化）についても，数値モデリングとの比較研究を進めている。また，さらに詳細なモデリング・観測比較を実現するため，あかつきプロジェクトと連携し，2018年11月に長期連続観測を実施した。現在，取得されたデータの初期解析を進めているところである。雲物理過程と放射伝達過程のモデル開発およびGCMへの組み込みも，得られた結果を論文としてまとめる段階に到達しており，概ね順調に推移している。 次年度もあかつきプロジェクトや海外の地上観測グループと連携し，多波長観測を継続する。観測の実施と並行して，得られたデータを解析し，平均子午面循環や大気波動の空間構造の解明を進める。2018年度に実施したあかつき集中観測データの解析を進め，その結果に基づくデータ同化実験の実施も予定している。放射輸送モデルと大気大循環モデルの統合を進めることにより，観測結果と直接比較できるシミュレーションの実現に向けたモデル開発を継続する。次年度もモデル開発の進展に応じた適切な数値シミュレーションを実施することにより，雲層付近の大気波動とその励起メカニズムを明らかにする。特に，雲頂高度で観測される赤道ケルビン波や中緯度ロスビー波，雲頂高度と雲厚の緯度依存性といった気象学的に興味深い現象の成因を，数値シミュレーションと多波長同時観測および電波掩蔽観測で得られた情報を比較することにより明らかにする。

世界初の本格金星気象撮像探査機「あかつき」の軌道投入以前、金星大気の観測は断片的であり、数値モデルには仮定が多く、スーパーローテーション（四日循環）の存在に象徴される金星大気の循環構造はほとんど未知であった。本研究では、我々が開発を進めてきた地球シミュレータ上の金星大気大循環モデル（AFES-Venus）を元に金星大気データ同化システム(ALEDAS-V)を構成し、「あかつき」観測と矛盾せず力学的に辻褄のあった金星大気循環場の生成を試みる。これによって、金星大気中の未知な擾乱を同定し、その分布と角運動量輸送などを明らかにしスーパーローテーションにいたる金星大気大循環の構造を解明する。