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

大気の重要な化学サイクルCO2 サイクル

Sulfur サイクル

200 400 6000

20

40

60

80

1001015 1017 1019 1021

温度 (K)

高度

(km

)

数密度 (1021cm-3)

金星大気モデル VIRA

[Seiff et al. (1985)]

雲層

上層

中層

下層

光化学活発

高温・高圧

CO2 サイクルCO2+hν→CO+O

2O→O2

CO+O→CO2 　遅い

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)]

現在のシナリオ：触媒反応による CO2 の効率的生成

候補触媒ClOx （ Cl 、 ClCO 、 ClCO3 等）

HOx （ H 、 OH 、 HO2 ）

NOx （ N 、 NO2 、 HNO3 等）

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)]

Sulfur サイクル

0

20

40

60

80

生成・凝結

凝結蒸発

よどみ領域

分解

赤道 極

高度

(km

)

正味：CO2+SO2+H2O→ CO+H2SO4

正味：H2SO4+CO→ SO2+H2O+CO2

雲層

[Imamura & Hashimoto (1998)]

CO2+hν→CO+OSO2+O→SO3

SO3+H2O→H2SO4

H2SO4→SO3+H2OSO3+CO→SO2+CO2

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

これまでの

CO 観測 40 60 80 100200

CO 混合比 (ppm)

VIRTIS-M 4.7μm

65-70km

[Irwin et al. (2008)]

SPICAV SOIR

[Vandaele et al. (2008)]

IRTF CSHELL 2.3μm64-71km [Krasnopolsky (2008)]

VIRTIS-M

2.3μm

～ 36km

[Tsang et al. (2009)]

CO 混合比 (ppm)

高度 (km

)

100 104102

CO

混合比

(ppm

)

20

40

30

緯度（ ° ）

50-50

雲層

昼

夜

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

光化学支配

極で増加

上層からのCO 供給を示唆

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

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

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

スキャン

赤道

スリット（ 30″×0.5″ ）

スペクトル画像

解析の流れ1. 観測スペクトルの波長較正

2. CO2 、 CO 等価幅半球分布の作成

3. CO2 等価幅より雲高偏差の決定

4. 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

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

4320 4322 4324 4326 4328100

200

300

400

500

6004426 4428 4430 4432 4434

1000

1500

2000

2500

地球吸収補正後補正前地球吸収計算

R14R16

R18

波数 (cm-1)

カウント数

CO2 R12

CO R19

R14 R16

R18

R20

R20 R21

2. 等価幅半球分布

CO2 R12 CO R19

cm-1 cm-1

07 年 11 月 10 日

各日で CO2 と CO の等価幅半球分布のペアを作る

位置合わせ

計算スペクトルの作成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)] ）

計算結果例

CO2 R12 等価幅 (cm-

1)

太陽方向地球方向

地球方位角

計算地点

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

雲高が全球一様な場合、赤道で等価幅が大きくなる

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1. 雲の鉛直構造の空間変化の観測データが不足2. 反射高度（ ~64km ）は雲の密度小さく、変化も小

Pollack et al., 1993 改訂雲モデル

地表

雲層

上げる

→ 等価幅小

下げる

→ 等価幅大10-2 10-1 10040

60

80

光学厚み (km-1)高度

(km

)

モード1モード2モード2'モード3

雲高偏差の先行研究との比較

km

NN

-50 0 50

-10

0

緯度 (° )

雲高偏差

(km

) 07年6月1日

傾向同じ→ＯＫ

雲頂高 (km

)

緯度　 (°)

VIRTIS-M 1.6μm

[Ignatieiv et al. (2009)]

~40°あたりまで一定

高緯度で下がる

~50°あたりまで一定

高緯度で下がる

4. CO 混合比の決定

モデル CO 混合比高度分布

[Pollack et al. (1993)]

0 10 20 30 40 500

20

40

60

80

100

CO混合比 (ppm)

高度

(km

)

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

CO等価幅大

CO等価幅小

結果：ＣＯ混合比半球分布07 年 6 月 1

日

ppm

着目点時期ごとの絶対

値の差経度分布緯度分布

A

09 年 6 月 12 、 15 日

07 年 11 月10 、 11 、 12 、 13 日

B

半球平均 (ppm)（ |φ| 60°≦ ）Ａ： 37±13Ｂ： 64±18Ｃ： 53±11C

4426 44272000

2200

2400

2600

波数 (cm-1)

カウント数

観測スペクトル

2Sa

A

CO2 R12

絶対値 1 ： CO 混合比の測定精度● 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% 、 Sr

CO= ～ 5%

CO2 と CO 二本使うため、混合比のランダム誤差は

　　　　 = ～ 7%● 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% 、 Sr

CO= ～ 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

絶対値 2 ：違う高度を 見てる？

地表

上げる

→ 等価幅小

下げる

→ 等価幅大

反射面45°45°

日付 (UT)

CO2 R12 等価幅

半球平均 (cm-1)

反射高度 (km)

2007/6/10.023

7 ±0.0030 63.9

11/100.021

4

± 0.0024 65.0

11/110.020

6

± 0.0014 64.7

11/120.022

5

± 0.0025 64.8

11/130.022

8

± 0.0027 64.5

2009/6/120.023

5

± 0.0015 63.9

6/150.025

8

± 0.0020 63.9

45°… 太陽・地球天頂角の代表値

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

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

230 250 2702

3

4

5[10-27]

温度T (K)

吸収線強度

S (

cm)

CO2 R12

CO R19(× 10-5)

z=64km

絶対値 3 ：大気の温度変化の 影響

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

VIRA

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

(cm)

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

TT

Ek

hc

T

TSS

11"exp

0

00

(cm)

絶対値 4 ：半球平均した温度の ばらつき

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ΔTRMS 　 (K)

高度 (km

)

[Seiff et al. (1985)]

Pioneer Venus ORO で得た温度の ばらつき

（期間： 1978/12-1981/10 ）

-30 -10 10 300.5

1

1.5

2

大気温度差（実際-モデル） (K)

補正倍率

半球平均 (ppm)（ |φ| 60°≦ ）

07 年 6 月 1 日：3707 年 11 月： 6409 年 6 月： 53

誤差～ 2.7%

絶対値 5 ：他の観測結果との比較

観測範囲

CO 混合比 半球（緯度）平均

(ppm) 日付[Connes et al. (1968)] 昼面 64-69km 45±10 1966/6

VIRTIS-M [Irwin et al. (2008)] 夜面 65-70km 40±?2006/5/19 、 6

/26

IRTF CSHELL[ 本研究 ] 昼面 64-69km 37±1 2007/6/1

〃 [Krasnopolsky (2008)] 〃 70±? 2007/10/17

〃 [ 本研究 ] 〃 64±2 2007/11/10-13

〃 [〃 ] 〃 53±1 2009/6/12 、 15

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

+ 一ヶ月

経度分布 1

0 40 800

50

100

150

07 年 6 月 1 日

-80 -40 00

50

100

150

-80 -40 00

50

100

150

09 年 6 月 12 、 15 日

-80 -40 00

50

100

150

-80 -40 00

50

100

150

-80 -40 00

50

100

150

-80 -40 00

50

100

150

07 年 11 月 10 、 11 、 12 、 13 日

経度方向に はほぼ一様→予想通り

経度（ ° ）

CO

混合比

(ppm

)

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

経度分布 2 ：代表高度での CO のバランス

要素dnCO/dt

(106cm-3s-1)dfCO/dt

(ppm/day)

生成 +1.2 +0.05

損失 -3.2 -0.13

流入 +5.0 +0.20

流出 -3.0 -0.12

100

80

60

109 10131011

CO

フラックス (cm-2s-1)

高度 (km

)

100

80

60

CO+OH

→CO2+H

（ CO損失）

CO2+hν

→CO+O

（ CO 生成）

104 106

反応速度 (cm-3s-1)

Yung & DeMore (1982) 　１次元光化学モデル計算結果（ cos(SZA)=2/3 、モデル A ）

ii

ii L

zP

t

n

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)

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

代表高度

緯度分布 1

-50 500

50

100

150

07 年 6 月 1 日

-50 500

50

100

150

-50 500

50

100

150

09 年 6 月 12 、 15 日

-50 500

50

100

150

-50 500

50

100

150

-50 500

50

100

150

-50 500

50

100

150

07 年 11 月 10 、 11 、 12 、 13 日

CO

混合比

(ppm

)

緯度（ ° ）

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

|φ| 60°…≦ ほぼ一様

|φ|＞ 60°… 高緯度で増加する日 あり

0 1 2 3 4 50

0.02

0.04

0.06等価吸収幅

(cm

-1)

NCO(× 10-20cm-2)NCO2(× 10-25cm-2)

CO R19CO2 R12

T=247K, P=0.115bar (VIRA 高度64km)

緯度分布 2 ：高緯度で CO 混合比増加？

成長曲線

-50 0 500

50

100

150

°緯度（ ）

CO混合比

(pp

m)

-50 0 500

50

100

150

°緯度（ ）

NC

O/N

CO

2 (×

106 )

2007/11/12 　成長曲線による結果

放射輸送計算による結果

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…

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

結論1. 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

2. 経度方向…ほぼ一様（ 予想通り）

3. 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）

4426.2 4426.4 4426.6 4426.80

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5放射強度

(W

/m2 /s

tr/μ

m)

波数 (cm-1)

CO2 R12

(x,y)=(0.00,0.90)(λ ,φ )=(0.00,64.16)

ASTNOVR12CL43WR2I15.OUTASTNOVR12CL43WR2I13.OUTASTNOVR12CL43WR2I11.OUTASTNOVR12CL43WR2I9.OUTASTNOVR12CL43WR2I7.OUT

4321 4322 4323

3

4

5

6

ASTNOV1.R19CL43WR3I9.OUT (-45,0)AFSTNOV1.R19CL43WR3I9.OUT (-45,0) 積分1cm-1

積分0.6cm-1

放射強度

(W

/m2 /s

tr/μ

m)

CO R19

波数 (cm-1)

4425 4426 4427 44281.4

1.6

1.8

2

2.2

積分1cm-1積分0.6cm-1

放射強度

(W

/m2 /s

tr/μ

m)

ASTNOVR12CL43WR3I9.OUT(-0.15,0.90)

波数 (cm-1)

CO2 R12

緯度分布 3 ：緯度方向の温度変化

~64km

温度分布 Pioneer Venus ORO [Seiff et al. (1985)]

中緯度で 低緯度に比べ ~50K低い

緯度分布 3 ：緯度方向の温度変化

大気温度子午面分布 Venera15 　赤外分光

[Zasova et al. (2006)]

中緯度で 低緯度に比べ ~50K低い80

70

60

90

64km

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)]

中緯度で 低緯度に比べ ~20K低い

観測範囲

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

01Jun

R19

R12

27May 31May29May 30May

CO R19

CO2 R12

(cm-1)

07 年 11 月 10日

11 月 11日

11 月 12日

11 月 13日

(cm-1)

CO R19

CO2 R12

(cm-1)

09 年 6 月 12 日 6 月 15 日

(cm-1)

-50 0 500

0.02

0.04

0.06

CO2 R12CO R19

-50 0 500

0.02

0.04

0.06

CO2 R12CO R19

-50 0 500

0.02

0.04

0.06

CO2 R12CO R19

緯度（ ° ）

等価吸収幅（cm

-

1

）

07 年 11 月 10 日

11 月 12 日

11 月 11 日

11 月 13日

-50 0 500

0.02

0.04

0.06

CO2 R12CO R19

-50 0 500

0.02

0.04

0.06

CO2 R12CO R19

-50 0 500

0.02

0.04

0.06

CO2 R12CO R19

等価吸収幅（cm

-

1

）

緯度（ ° ）

09 年 6 月 12日

6 月 15 日

観測範囲

CO 混合比 半球（緯度）平均

(ppm) 日付

[Connes et al. (1968)] 昼面 64-69km 45±10 1966/6

VIRTIS-M [Irwin et al. (2008)] 夜面 65-70km 40±102006/5/19 、 6/

26

IRTF CSHELL[ 本研究 ] 昼面 64-69km 37±13 2007/6/1

〃 [Krasnopolsky (2008)] 〃 70±10 2007/10/17

〃 [ 本研究 ] 〃 64±18 2007/11/10-13

〃 [〃 ] 〃 53±11 2009/6/12 、 15