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火星ダストデビルの性質を解明
-火星天気予報や火星有人探査への一歩-

公開日:2016.07.20

 

研究成果 理学

 理化学研究所(理研)計算科学研究機構 複合系気候科学研究チームの西澤誠也研究員、富田浩文チームリーダーと、北海道大学の小高正嗣助教、石渡正樹准教授、神戸大学の高橋芳幸准教授、林祥介教授、松江工業高等専門学校の杉山耕一朗准教授、九州大学の中島健介助教、京都大学の竹広真一准教授らの共同研究グループは、スーパーコンピュータ「京」を用いた超高解像度シミュレーションにより、火星大気中の「塵旋風(じんせんぷう)」を大量に再現し、その大きさや強さの統計的性質を明らかにしました。
晴天時の日中、地球の砂漠などの乾燥地では渦巻き状に立ち上がる突風が生じることがあります。この突風は地表付近の塵を大気中に巻き上げることから塵旋風と呼ばれ、英語では塵の悪魔、「Dust Devil(ダストデビル)」と呼ばれます。火星ではダストデビルが頻発し、それが大きな砂嵐へつながることもあり、時には火星全体を覆うほどの巨大な砂嵐として観測されます。
火星大気中の塵は気象と気候、およびその変動に大きな影響を与えることが知られていますが、塵の量や分布がどのように決まるのかは分かっていません。ダストデビルにより塵が地表から大気中へ巻き上がることがその要因の一つとして考えられています。これまでの火星の観測によってダストデビルの頻度や大きさはある程度分かってきましたが、観測だけではダストデビルの数が少ないため、多くの情報を得ることは困難でした。そこで計算機による火星大気のシミュレーションが試みられました。しかし、ダストデビルの渦とそれを生み出す大気運動の規模には大きな隔たりがあるため、両者を同時計算するためには莫大な計算能力が必要であり、従来のコンピュータでは性能が不足していました。
 共同研究グループは、理研が開発した大気ラージエディシミュレーション(LES)の数値モデル「SCALE-LES」に火星大気の設定を組み込み、スーパーコンピュータ「京」でシミュレーションを行いました。水平・鉛直方向ともに約20キロメートル(km)の広い領域を約500億個に上る立方体の格子に分割し、約200時間をかけてシミュレーションした結果、3,000個を超えるダストデビルを発生させることに成功しました。また、ダストデビルの大きさや強さの統計的性質を解析することで、どのくらいの規模のダストデビルがどのくらいの頻度で存在するかが分かるようになりました。
今後、さらにシミュレーションを重ねて、ダストデビルが発生する季節や場所による違いを明らかにすることにより、火星天気予報の実現や、無人探査機のみならず有人探査機における火星への着陸・地上活動に貢献すると期待できます。
 本研究は、米国の科学雑誌『Geophysical Research Letters』(5月16日号)に掲載され、同誌ウェブサイトでハイライトされました。また、米国の科学雑誌『Eos Earth & Space Science News』(6月23日付)のリサーチスポットライトでも取り上げられました。

図1 塵旋風(ダストデビル)や竜巻などの大きさの比較左から地球のダストデビル、地球の竜巻、火星のダストデビル、地球のヒマラヤ山脈(標高8,000m級)を示している。奥に見えるのは、火星のオリンポス山(火山)で標高約21,900m、太陽系で最も高い山として知られる。
(NASA/JPL) http://mars.jpl.nasa.gov/mgs/msss/camera/images/8_10_99_releases/moc2_171/

図2 火星のダストデビル
左の方に白く見えるのが、2005年にNASAの無人火星探査機「スピリット」で撮影されたダストデビル。ダストデビルの直径は約34m、約4.8m/sの速さで、約1.6kmの距離を9分35秒かけて移動した。
(NASA/JPL) http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA07253 (動画)

図 3 火星ダストデビルのシミュレーション結果
(a):高度62.5 m における計算領域全体での鉛直流の速度の水平分布。暖色が上昇流、寒色が下降流を表している。
(b):(d)の三次元構造。
(c):(a)の四角の領域での鉛直流の速さの水平分布を拡大した図。
(d):(a)の四角の領域での渦の強さの指標の水平分布。暖色が反時計回り、寒色が時計回りの渦を表している。

論文情報

Martian dust devil statistics from high-resolution large-eddy simulations ,Geophysical Research Letters,
10.1002/2016GL068896

研究に関するお問い合わせ先

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