紫外波長撮像観測データに基づく金星風速場の解析

中村研 D2 神山 徹

イントロダクション：金星大気

7000

20

40

60

80

100

0

高度 (km)

500300100 温度(K)金星大気に投下されたプローブが観測した

大気温度の高度分布 [Seiff, 1983]

全球を覆う厚い硫酸の雲　高度 40 km - 70 km に渡って存在

CO2 を主成分とする厚い大気

　→　地表面での大気圧 90 atm　　　 温室効果により 地表面では気温 400 度以上

乾燥断熱温度勾配

金星大気スーパーローテーション

金星大気へ投下したプローブで観測した東西風の高度分布 [Schubert, 1983]

自転速度 : 1.4 m/s

地球と異なるシステムで維持されている大気循環

地表面での太陽光加熱コリオリ力

雲層での太陽光加熱コリオリ力が弱い

全球に渡るスーパーローテーション

気象システム時間スケール

秒 分 時 日 週 月

1m 乱流・渦

100m 竜巻

1km積乱雲

10km

100km

台風1000km

前線

10000km 傾圧不安定( 低気圧・高気圧 )

年偏西風貿易風

地球

空間スケール

時間スケール

スーパーローテーション

?

子午面循環 ?

熱潮汐波赤道ケルビン波・ロス

ビー波

大気の粘性

秒 分 時 日 週 月 年

金星

現象を知りたい → 雲の模様・風速

紫外波長を用いた撮像観測

365 nm 513 nm 935 nm1010 nm未知の吸収物質

(SOx ?)

昼面太陽光反射光観測 2006 5/20 20:50Venus Express / VMC

はっきりとしたコントラスト

(10 % 以上の明るさ変化 )

弱いコントラスト(3 % 以下の明るさ変化 )

下層雲の濃淡を反映 ?[ 高木ら @ 2009 連合大会 ]

特徴追跡を用いた風速分布の推定

2006 5/20

雲の模様を追いかけることで背景の大気の流れを推測が可能

直接観測　　　　　　　　　　：点の探査

宇宙空間からの撮像観測：面の探査

相補的

惑星規模の気象現象を捉えるのに適している

Voyager 1979

東 西

-100100

Venus Express/VMC

リム観測 / 雲の高度観測雲の上にあるヘイズ層を観

測

高度方向に大気の特徴的なスケールを知ることができ

るVenus Express/VMC

Galileo/SSI

鉛直に大気を眺める

雲頂の高度変化

鉛直流の向き背景大気の温度変化

研究目的撮像観測によって得られた雲画像か

ら惑星規模の大きな金星大気循環を探

る・雲の特徴追跡→風速分布

熱潮汐波・赤道ケルビン波・ロスビー波

ケルビン波によるものと考えられる風速分布

Galileo 探査機の撮像画像から求めた平均東西風速からの

変動成分分布

・リム観測 → 上層大気の鉛直構造

Galileo / Venus ExpressN

S

250 km

66,000 km

Venus Monitoring Camera(VMC)

可視赤外分光撮像器 (VIRTIS)下層大気からの熱放射

N

S

Solid State Imaging system (SSI)

昼面の太陽光反射光

解析手法 / 解析結果

解析前処理- 地理緯度の導出- カメラ歪み補正の必要性 ( 未解決 )

リム観測- 雲の高さについて

雲の特徴追跡- 原理- 金星雲頂高度での風速分布

解析手法：地理座標の導出

1 pixel のズレ → 15 km ～ 100 km のズレ → 風速に与える誤差 4 m/s ～ 25 m/s

0.1 pixel のズレ → 誤差 < 3 m/s

軌道情報 姿勢情報

Limb フィッティング Sub-pixel 単位で Limb 推

定

光学歪み補正

現在考察中

フィッティングの様子

Ri = 1648 [pix]

2006 12/5 6:55

Ri = 127.4 [pix]

2006 5/20 16:36Ri

リムフィッティング精度評価

太陽光入射角、衛星への出射天頂角を考慮した模擬惑星画像

100倍の画素数でオーバーサンプリングした後、画像を 1/100 に圧縮

計算値 与えた値 Center X: 128.065 128.000

Y: 127.998 128.000 R: 100.174 100.227

0.1 pixel 以下の誤差

見かけの雲の高さとカメラ歪み

D2 [pix2]

見かけの金星半径

[km]

Venus Express 25 軌道 441 画像d

r

θ

光学中心

(円弧の光学中心からの距離 )2 の平均

y = -0.0009x + 6165.2

R2 = 0.8683

6050

6070

6090

6110

6130

6150

6170

0 20000 40000 60000 80000

Height (Height)線形

金星半径 (6051.8 km)

予想される雲高度

y = -0.0009x + 113.41

R2 = 0.8683

40

50

60

70

80

90

100

110

120

0 20000 40000 60000 80000

Height

線形 (Height)

見かけの雲の高さとカメラ歪み

D2 [pix2]

Venus Express 25 軌道 441 画像d

r

θ

光学中心

(円弧の光学中心からの距離 )2 の平均

見かけの雲の高さ

[km]

解析手法：地理座標の導出

1 pixel のズレ → 15 km - 100 km のズレ → 風速に与える誤差 4 m/s ～ 25 m/s

0.1 pixel のズレ → 誤差 < 3 m/s

軌道情報 姿勢情報

Limb フィッティング Sub-pixel 単位で Limb 推

定

光学歪み補正

現在考察中

リムでの見かけの雲の高さ

反射光散乱光

散乱光の明るさ 雲粒の数に比例≒

高度が高くなるにつれて

exp(-x/H) で減少する( 雲のスケールハイト ) = 0.85 ×( 大気のスケール

ハイト )Schofield and Taylor, 1983 Taylor et al., 1983

H : スケールハイト [km]

2006 12/5 6:55

リムでの見かけの雲の高さ

平均カウント値

リムからの距離 [pix]

4 軌道 (26 画像 )

明るさ変化のスケールハイト = 4.2 ± 0.7 [km]→ 大気のスケールハイト = 4.6 ± 0.8 [km]

227 ± 37 KCO2 100%

静水圧平衡を仮定すると

大気の平均分子質量

スケールハイト

温度

基準ピクセルからの距離[pix]

フィッティング

観測値規格化した

カウント値

1/e

基準ピクセルからの距離[pix]

フィッティング

観測値規格化した

カウント値

リムでの見かけの雲の高さ

平均カウント値

リムからの距離 [pix]

4 軌道 (26 画像 )

明るさ変化のスケールハイト = 4.2 ± 0.7 [km]→ 大気のスケールハイト = 4.6 ± 0.8 [km]

227 ± 37 KCO2 100%

静水圧平衡を仮定すると

7000

20

40

60

80

100

0

高度 (km)

500300100 温度(K)

リム高度は 70 km~80 km程度

雲の高さの緯度分布

Ri -Rf [pix]

座標

[pix]

Y

X

カウント値

Galileo / SSI

1990 2/13 5:58 365 nm

Rf

Ri

雲の高さの緯度分布

[km]

低 高 低高 ? 高 ?

Y

X

緯度 [deg]

相対高度差

1990 2/13 5:58 365 nm

Galileo / SSI

相対的に・赤道域、 40°-60° の雲は低い・ 15°-40° の雲は高い

8.2μm

27μm

雲の高さの緯度分布

Zasova et al. (2004) 紫外波長での結果と異なる

VENERA 15

0 20 40 60 800 50

55

60

65

70

75

-50

見ている高度が異なる紫外：ヘイズ層

赤外：雲頂雲頂までの循環と

ヘイズ層での循環が異なる ?

緯度 [deg]緯度 [deg]

低 高 低高 ? 高 ?

雲の高さの緯度分布

相対高

度

[km]

1990 2/16 6:28

相対高

度

[km]

2006 5/20 20:57

緯度 [deg]

Galileo / SSI

VenusExpress / VMC

連続画像からの風ベクトル推定

相関計算

相互相関を用いた特徴追跡

NASA/Galileo(SSI)

金星雲画像への適用：問題意識

NASA/Galileo(SSI)

様々な制限

・装置・観測機会 :　 - 地球 : 静止軌道 + 高い解像度 (1 km/pix)　 - 金星 : 周回軌道 +制限のある解像度 (15 km/pix)

・ ( 紫外 ) 弱いコントラスト　 Galileo : S/N ≒ 100 ( 雲の模様 )/N < 5 　　 (ノイズが目立つ → )

・雲の特性　明確な境界に乏しい　変形、生成、消滅のため一定の形を保たない　・比較できる予報データや、　ラジオゾンデなどの同時観測データが無い

より金星に適した工夫が必要信頼できる誤差評価の必要

連続画像からの風ベクトル推定Correlation based correlation method

[D.P.Hart. 2000]

解釈：相関空間での平 滑化欠点：空間分解能が 落ちる

(重ね合わせた領域の平均的な移動量が求まる )

利点：ピークの選別が容易、先鋭化

50%重なりがある Template から

求めた相関曲面を掛け合わせる

誤差評価 (Moissl 2008)

ある緯度帯の平均風速

各点で求めた風速

±0.4° のズレに相当する風速範囲

用いる 2枚の画像組の撮影時間差

± 12 m/sΔT = 1 h

連続画像からの風ベクトル推定

各ベクトルの推定誤差

± 0.4° [Moissl 2008]

Template 12°x12° (60 x 60 pixel)

± 12 m/s

誤ベクトル修正

ΔT = 1 h

太陽天頂角 < 84°衛星天頂角 < 71°( 解像度 ≒ 100 km/pix)

時間差 ΔT = 1 [hour]

展開

Template 6°x6° (30 x 30 pixel)

連続画像からの風ベクトル推定

20 140 [m/s]

717

20 140 [m/s]

717

3x3、 9 つの bin で平滑化

東西風速

空間分解能 1/9 → 10x10 deg誤差 1/3 → ±4 m/s + 位置決定誤差

3°

5

-70

5

-70

緯度

[deg]

Local Time [hour]Local Time [hour]

2006 5/20

雲頂高度での平均風速

低緯度、 Local noon に極小Local noon から離れるにつれ風速が増大朝夕対称 の風速分布 ?

40 120 [m/s]

緯度

[deg]

Local Time [hour]

2006 5/16 – 2007 2/3 23 軌道平均東西風 ( 西向き正 )

17 8Local Time [hour]

40

120

12

2006/5 月 -6 月、 11 月 - 2007/1 月、7 月 -9 月 (450 image pairs)

[Moissl, 2008]

熱潮汐波が作る風速に特徴的な分布

雲頂高度での平均風速1990 2/13-2/17 Galileo 探査機

717

0

緯度

[deg]

12

-20

-40

-60

40 120 [m/s]

緯度

[deg]

Local Time [hour]

2006 5/16 – 2007 2/3 23 軌道平均東西風 ( 西向き正 )

低緯度、 Local noon に極小Local noon から離れるにつれ風速が増大朝夕対称 の風速分布 ?

熱潮汐波が作る風速に特徴的な分布

雲頂高度での平均風速

-20 40 [m/s]

緯度

Local Time [hour] 17 8Local Time [hour]

-20

5

12

2006 5/16 – 2007 2/3 23 軌道平均南北風 (北向き正 )

[deg]

2006/5 月 -6 月、 11 月 - 2007/1 月、7 月 -9 月 (450 image pairs)

カメラ歪み、位置あわせ誤差の影響 ?

赤道域の東西風速変動

16 13 16 1316 13

16 1316 13

16 1316 13

16 1316 13

16 1316 13

-30

30

平均風速

Local Time [hour]

1/25 1/26 1/27 1/28 1/29 1/30 1/31 2/1 2/2 2/3 2/4

まとめ /今後 解析前処理：惑星中心導出を画像処理からサブピ

クセルレベルで行った→ Planet-C での昼面観測 (IR1、 UVI) へ応用可能

リムの解析方法を考案 東西風、南北風の平均風速を導出

VIRTIS、VMC の解析データを組み合わせることで複数高度の風速場を導出する

雲追跡アルゴリズムの精度向上 大気波動の抽出

雲頂高度での平均風速2006/5 月 -6 月、 11 月 - 2007/1 月、 7 月 -9 月 (450 image pairs)

17 8Local Time [hour]

40

120

12 17 8Local Time [hour]

-20

5

12

[Moissl 2008]

雲頂高度での平均風速