地球の海洋学が木星のサイクロン流動の謎を解明

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リア・シーゲルマンさんは、南極を取り囲む南極海の渦巻く海水を研究していたところ、偶然、NASAの探査機ジュノーが撮影した木星の北極周辺のサイクロンのポスター画像を見つけました。「それを見て、ただ衝撃を受けました。『わあ、これはまさに海の乱流みたい』と」と彼女は言います。

そこで、カリフォルニア大学サンディエゴ校スクリップス海洋研究所の研究者であるシーゲルマン氏は、外惑星の最新の詳細な画像に目を向けました。彼女とチームは、地球で見られる一種の対流が、木星のサイクロンを生み出す物理的な力とエネルギー源を説明できることを初めて証明しました。（物理学の観点から見ると、空気と水はどちらも「流体」であるため、同じ原理が巨大ガス惑星の大気と地球の海にも当てはまります。）彼らは本日、この研究結果をNature Physics誌に発表しました。

太陽系で40兆ポンドもの巨大な物体である木星は、低気圧の周りを回転する巨大なサイクロン、つまり大きな嵐を作り出す。中には幅が数千マイル（米国本土と同じくらいの大きさ）に及ぶものもあり、最大で時速250マイルの突風を伴い、最大で時速250マイルに達するものもある。最大級のサイクロン8個が木星の北極で、5個が南極で目撃されている。科学者たちは長年、その起源について推測してきたが、シーゲルマン氏と同僚たちは、これらの嵐を地図に描き、風速と温度を測定することで、嵐が実際にどのように形成されるのかを実証した。乱流雲の間には、小さな回転する渦があちこちに発生し（シーゲルマン氏がよく知っている海の渦とそれほど変わらない）、その後、互いに融合し始める。サイクロンは、小さな雲を飲み込んでエネルギーを得て成長し続けるため、回転し続けるとシーゲルマン氏は説明する。

これは、地球から5億マイル以上離れた惑星の異常気象を研究する巧妙な方法です。「著者たちは明らかに気象学と海洋学の分野から知見を得ています。彼らは豊富な文献を、私たちがほとんど触れることのできない惑星に洗練された方法で適用しているのです」と、スタンフォード大学の大気科学者で、地球上のハリケーンや竜巻の物理モデルを作成し、その研究を土星に応用しているモーガン・オニール氏は述べています。

オニール氏によると、特に科学者チームは、地球の雷雨と同様に、木星のサイクロンが「湿潤対流」という、耳障りな名前のプロセスを通じてどのように発生するかを実証しているという。木星の大気深部にある暖かく密度の低い空気は徐々に上昇し、極寒の真空に近い冷たく密度の高い空気は下降する。この過程で乱流が発生し、木星の渦巻く水分を多く含んだアンモニアの雲にそれが見られる。

オニール氏は惑星大気のシミュレーションでこの対流を観測してきたが、シーゲルマン氏らは観測を通してその証拠を示している。彼らは、木星探査機ジュノーが2017年に木星の極付近を猛スピードで通過し、フライバイ撮影した画像を解析した。それぞれの画像には、複雑なアンモニア雲の配列が捉えられていた。研究者らが連続して撮影した画像を比較したところ、それらの画像の違いから雲とその回転する渦巻きの変化が明らかになり、風の動きと渦巻きの攪拌速度と成長速度を追跡することができた。

シーゲルマン氏と彼女のチームは、イタリア宇宙機関の資金提供を受けてジュノーに搭載された観測装置、木星赤外線オーロラマッパー（JIRAM）の画像を活用しました。このカメラは木星の雲を一辺約10マイルのピクセルに分解し、赤外線機能によって熱放射も調べました。「上層雲は冷たく、雲の穴や深層雲は温かく見えます。つまり、温度は上昇運動か下降運動かを示す指標として使えます。これは、この論文が行った独創的な試みです」と、カリフォルニア工科大学の惑星科学者で、今回の論文の共著者であり、ジュノー探査チームのメンバーでもあるアンドリュー・インガソル氏は述べています。

木星の大気は地球と似ているところもあるが、多くの違いもある。まず、木星はガス惑星で全体が大気であるのに対し、地球には薄い大気しかなく、陸と海が地面と空の間に硬い障壁を作っている。そのため、木星では、南極のサイクロンが五角形に並ぶなど、地球では見られない気象パターンが形成される。シーゲルマン氏はこれをまだ解明しようとしている。「まだ研究すべきことはたくさんあるのは確かだ」と彼女は言い、ジュノーから送られてくる画像をもっと見るのを楽しみにしている。外側に伸びる3つの太陽電池アレイを備えたSUVサイズの探査機ジュノーは、2011年に打ち上げられ、2016年から木星を周回している。ミッションの残り期間はおそらく1年以内だが、あと数回の接近飛行でより多くのデータを収集すると期待されている。

木星の巨大なサイクロンの科学的研究以外にも、シーゲルマン氏は学ぶべき教訓がもう一つあると考えている。地球の気候や気象の探査と他の惑星の探査は、表裏一体のようなものだ。「地球の力学に関する知識を、これほど遠く離れた惑星にも応用できるのは素晴らしいことだと思います」とシーゲルマン氏は言う。「そして、これは私たちの惑星をより深く理解するのにも役立つでしょう。」

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