金星昼面雲上における CO 混合比半球分布の地上分光観測

金星昼面雲上におけるCO混合比半球分布の地上分光観測金星昼面雲上におけるCO混合比半球分布の地上分光観測岩上研究室　M2　山路　崇

金星大気の構造 上層光化学活発中層雲層下層高温・高圧金星大気モデルVIRA [Seiff et al. (1985)] • 大気の重要な化学サイクル • CO2サイクル • Sulfurサイクル

CO2サイクル 混合比 CO2：96.5% [von Zahn et al. (1983)] CO：高度～67kmで～45ppm[Connes et al. (1968)] O2：雲上で上限～0.3ppm [Trauger & Lunine (1983)] CO2+hν→CO+O 2O→O2 CO+O→CO2　遅い現在のシナリオ：触媒反応によるCO2の効率的生成反応例 Cl+CO+M→ClCO+M ClCO+O2+M→ClCO3+M ClCO3+O→CO2+Cl+O2 （正味）CO+O→CO2 [Yung & DeMore (1982)] 候補触媒 ClOx（Cl、ClCO、ClCO3等） HOx（H、OH、HO2） NOx（N、NO2、HNO3等）

CO2+hν→CO+O SO2+O→SO3 SO3+H2O→H2SO4 H2SO4→SO3+H2O SO3+CO→SO2+CO2 [Imamura & Hashimoto (1998)] Sulfurサイクル硫酸雲の生成に関係

各サイクルの未解決問題 • CO2サイクル…光化学モデルによる大気組成の再現が不完全（特にO2が合わない） • Sulfurサイクル…各ステップの詳細が理解されていない例）モデルによりH2SO4のコラム生成率が異なる • Krasnopolsky & Pollack (1994、モデル1) ： 2.2 (1012cm-2s-1) • Sander et al. (2002)： 0.4-0.5 (1012cm-2s-1) • 着目： COは両サイクルの化学と密接に関係 • 解決へのアプローチ：各場所におけるCO分布の支配要因を調べる→COを含む化学の理解

VIRTIS-M 4.7μm 65-70km [Irwin et al. (2008)] 高度 (km) CO混合比 (ppm) 0 20 40 60 80 100 CO混合比 (ppm) 100 102 104 40 CO混合比 (ppm) 30 20 -50 緯度（°） 50 夜これまでのCO観測光化学支配 SPICAV SOIR [Vandaele et al. (2008)] 昼 IRTF CSHELL 2.3μm 64-71km [Krasnopolsky (2008)] 極で増加上層からのCO供給を示唆 CO混合比 (ppm) ほぼ一様 →水平拡散支配雲層 • 本観測の特徴 • 昼面雲上半球分布（初）→経度分布も得られる • 複数時期→時期による変動を調べる上層からのCO供給を示唆 VIRTIS-M 2.3μm ～36km [Tsang et al. (2009)]

スリット（30″×0.5″） 赤道スキャンスペクトル画像観測機器： IRTF3m望遠鏡 CSHELL分光器（λ/δλ~40,000）期間： 07年5月26日-6月1日 07年11月10-13日 09年6月12-15日波長域： 2.3μm→~10cm-1範囲をカバー観測箇所…金星昼面手法…分光撮像 →2空間方向+波長方向の情報

解析の流れ • 観測スペクトルの波長較正 • CO2、CO等価幅半球分布の作成 • CO2等価幅より雲高偏差の決定 • 決めた雲高偏差条件を用い、CO等価幅よりCO混合比の決定

CO2R12 R14 R16 R20 カウント数 R18 R18 R14 R16 R20 R21 COR19 波数 (cm-1) 1. 観測スペクトルの波長較正 • 地球吸収計算に用いたデータ • 分子パラメタ HITRAN2004 [Rothman et al. (2005)] • 地球大気モデル MSIS-E90 • 使用吸収線 • CO2 R12、CO R19 • 選定理由 • 回転量子数小さい→大気の温度変化で線強度が変化しにくい • 近くに地球吸収少ない

CO2 R12 CO R19 cm-1 cm-1 2. 等価幅半球分布各日でCO2とCOの等価幅半球分布のペアを作る 07年11月10日位置合わせ

太陽方向 地球方向地球方位角計算地点計算スペクトルの作成計算結果例平行平面大気の放射輸送コードを用い、多重散乱計算を行う（RSTAR [Nakajima & Tanaka (1986,1988)]） • 計算入力値 • 計算波数分の2km厚50層の光学厚み（line-by-line法, HITRAN2004, VIRA） • 雲のパラメータ（粒径高度分布、雲の高さなど） • 計算地点における太陽・地球天頂角、地球方位角 CO2 R12等価幅 (cm-1) 雲高が全球一様な場合、赤道で等価幅が大きくなる

Pollack et al., 1993 改訂雲モデル 上げる →等価幅小雲層下げる →等価幅大地表 3. 雲高偏差の決定観測と計算のCO2 R12等価幅が一致するよう雲高偏差を調整 • 仮定：雲の鉛直方向の総光学厚みは全球一様 • 理由 • 雲の鉛直構造の空間変化の観測データが不足 • 反射高度（~64km）は雲の密度小さく、変化も小

雲頂高 (km) 緯度　(°) 雲高偏差の先行研究との比較 N ~50°あたりまで一定高緯度で下がる ~40°あたりまで一定高緯度で下がる N km VIRTIS-M 1.6μm [Ignatieiv et al. (2009)] 傾向同じ→ＯＫ

4. CO混合比の決定 決めた雲高偏差の条件で、放射輸送計算によりCO吸収スペクトルを求める観測と計算のCO等価幅が一致するようCO混合比を調整モデルCO混合比高度分布 [Pollack et al. (1993)] CO等価幅大 CO等価幅小

ppm 07年6月1日 07年11月10、11、12、13日 B 結果：ＣＯ混合比半球分布 09年6月12、15日半球平均 (ppm) （|φ|≦60°）Ａ：37±13 Ｂ：64±18 Ｃ：53±11 A C 着目点 • 時期ごとの絶対値の差 • 経度分布 • 緯度分布

●単独点 等価幅測定のランダム誤差をSr=Sa/A (%)とおくと SrCO2=～6%、SrCO=～5% CO2とCO二本使うため、混合比のランダム誤差は =～7% 絶対値1：CO混合比の測定精度 ●半球平均半球全体を足し合わせたスペクトルを使うと SrCO2=～2.2%、SrCO=～1.5% Srtotal=～2.7%…半球平均値の誤差 →各時期CO混合比の半球平均値は測定精度としては有意な差

上げる →等価幅小 45° 45° 反射面下げる →等価幅大地表絶対値2：違う高度を見てる？各波数における2km厚50層の光学厚みの値を用いCO2 R12線の透過率を計算。等価幅が観測と計算で一致するよう反射高度を決める 45°…太陽・地球天頂角の代表値各日の反射高度は最大でも~1km差 →ほとんど同じ代表高度…64-(64+1H)=64-69km

(cm) 絶対値3：大気の温度変化の影響 S0@T0、h：プランク定数、c：光速、k：ボルツマン定数、E”：下の準位のエネルギー (cm) VIRA 例）モデルより実際の温度が低い観測SR19が小さくなる →CO積分量が同じでも等価幅が小さく出る →CO混合比が実際より小さく判定実際の温度がモデルと異なる→測定CO混合比は真の値からずれる

高度 (km) ΔTRMS(K) 絶対値4：半球平均した温度のばらつき半球平均 (ppm) （|φ|≦60°） 07年6月1日：37 07年11月：64 09年6月：53 誤差～2.7% Pioneer Venus OROで得た温度のばらつき（期間：1978/12-1981/10）真の混合比(ppm) =測定混合比(ppm)×補正倍率低中緯度では高度64-69kmで ΔTRMS=～3K　→温度変化少ない絶対値の差は有意 [Seiff et al. (1985)]

絶対値5：他の観測結果との比較 +一ヶ月 • 過去の観測でも時期により有意なCO混合比の絶対値差あり • 一ヶ月程のタイムスケールではCO混合比は大きく変化しない • 初めて、同一手法でCO混合比の時期ごとの有意な絶対値差を検出

09年6月12、15日 07年6月1日 07年11月10、11、12、13日経度分布1 CO混合比 (ppm) 経度（°） SZA、EZA≦80°、|φ|≦60°の点を使用。経度10°ごとに平均化。地球直下点でλ=0°。誤差棒は標準偏差経度方向にはほぼ一様→予想通り

Yung & DeMore (1982)　１次元光化学モデル計算結果（cos(SZA)=2/3、モデルA） CO2+hν →CO+O （CO生成） 100 CO+OH →CO2+H （CO損失）高度 (km) CO 100 80 80 60 60 109 104 106 1011 1013 フラックス (cm-2s-1) 反応速度 (cm-3s-1) 経度分布2：代表高度でのCOのバランス i：分子種、n：数密度(cm-3)、P：生成率(cm-3s-1)、L：損失率(cm-3s-1) 、φ:フラックス(cm-2s-1) 、z：高度(km) 代表高度各dfCO/dtはどれも絶対値小さく、拮抗 →夜明けから正午（移動時間～1日）で変化が見えないのは妥当

09年6月12、15日 07年6月1日 07年11月10、11、12、13日 SZA、EZA≦80°の点のみ使用。緯度10°ごとに平均化。誤差棒は標準偏差緯度分布1 CO混合比 (ppm) 緯度（°） |φ|≦60°…ほぼ一様 |φ|＞60°…高緯度で増加する日あり

緯度分布2：高緯度でCO混合比増加？ VIRAの高度64kmでの気温、気圧の値を用い、成長曲線を作成等価吸収幅→見かけのコラム密度成長曲線放射輸送計算による結果 2007/11/12　成長曲線による結果高緯度での大きな増加なし輸送計算の高緯度の結果怪しい…

結論時期ごとのCO混合比半球平均値の差（07年6月1日：37ppm、11月： 64ppm、09年6月：53ppm）…有意経度方向…ほぼ一様（予想通り）緯度方向…|φ|≦60°でほぼ一様→水平拡散支配修論までにやること • 放射輸送計算の見直し（雲モデル再改訂？） • 07年5月の残りのデータの解析（あと4日分）

~64km 緯度分布3：緯度方向の温度変化中緯度で低緯度に比べ~50K低い温度分布 Pioneer Venus ORO [Seiff et al. (1985)]

90 80 70 64km 60 緯度分布3：緯度方向の温度変化中緯度で低緯度に比べ~50K低い大気温度子午面分布 Venera15　赤外分光 [Zasova et al. (2006)]

緯度分布3：緯度方向の温度変化 大気温度子午面分布（Venera15号、赤外分光） [Zasova et al. (2006)] 観測範囲中緯度で低緯度に比べ~20K低い

Winick & Stewart (1980、観測)： 0.2-1 (1012cm-2s-1)

27May 29May 30May 31May 01Jun R12 R19

07年11月10日 11月11日 11月12日 11月13日 CO2 R12 (cm-1) CO R19 (cm-1)

09年6月12日 6月15日 CO2 R12 (cm-1) CO R19 (cm-1)

07年11月10日 11月11日等価吸収幅（cm-1） 11月12日 11月13日緯度（°）

等価吸収幅（cm-1） 09年6月12日 6月15日緯度（°）

金星昼面雲上における CO 混合比半球分布の地上分光観測