火星気候の安定性と進化

• はじめに
• モデル
• 計算方法
• 問題設定
• 計算結果
• まとめ
• 参考文献

• 太陽放射
• 地表面気圧

• 過去から現在への気候の変遷はどのようなものか?

• エネルギーのバランスを考える
• 気候を表す物理量として「温度」に注目

• 大気
• 極冠
  残存極冠の高さは 3 km 程度. 地質学的な考察から全てが CO₂ とは考えにくい.
• レゴリス (表面を覆う破砕物)

• 水平空間次元
• 鉛直層数
• 季節変化

• 惑星放射は現在の平均的温度 T₀ のまわりで 1 次の展開をしたもの

• 赤道と極の 2 box モデル.
• 温室効果は赤外放射に対する射出率係数で表現.

• 大気が厚い場合の強い温室効果を表現できない

• 大気内部の鉛直熱輸送は考慮しない
• 水平熱輸送係数 D に大気中の熱輸送効果(水平, 鉛直)が全て押し込まれている可能性がある.
• 射出率の地表気圧依存性は鉛直 1 次元放射対流平衡の結果とあうように決める.

• 熱輸送係数の違いの影響は, 地表気圧 が 1 気圧より大きくなると現れる.

極冠のサイズは決められない

• 極冠から射出される赤外放射はどこでも同じ
• これに対し, 入射太陽放射は極に近いほどすくなくなる.
• 凝結とともに地表気圧ちょっと低下したことにより凝結温度が下がる. その結果極冠の端にある CO₂ は蒸発してしまう.
• つまり, 極冠は長い時間スケールでは, より低温な方へじわじわと移動してしまう.

残存極冠は, 大気圧の擾乱を速やかに緩和する.

自転軸傾斜変化による太陽放射の緯度分布変化に注目

• 上段…傾斜が存在しない場合における日射の季節変化.
• 下段…傾斜角 45°の場合における日射の季節変化.

• 自転軸は断続的に傾けていく. 各傾きで 1 万年計算

図中の線が極冠の広がりを表している.

• 図は温度分布. 140 K 前後で一定となっている領域が極冠.

極冠が存在する場合:
大気圧の季節変動は, 約 1.1mbar(実際は約 1.6mbar). 現在の観測と良い一致を示す.

• 無極冠解, 季節極冠解は完全蒸発状態.
  
• 残存極冠解は, 極冠がリザーバの役割をしている.

解の遷移

• 無極冠解(●)は温室効果が効いているので, 極冠が形成されない解.
• 季節極冠解(●)では, 夏の昇華量が減少している. 自転軸傾斜角を小さくしていくことで, 残存極冠解(●)へ気候が遷移する.
• 残存極冠解(●)では, 自転軸傾斜角を大きくしていくと傾斜角 31.25°で気候が 極冠の無い解 (●,●) へと遷移する.

気候の遷移を考えるため, 残存極冠解での 0 次元エネルギー収支を考える.

• 太陽放射と南北熱輸送(収入: 赤線)
  • 自転軸が傾くと, 太陽放射が増加
  • 大気圧が高くなるとアルベド増加, 熱輸送増加
• 惑星放射(支出: 青線)
  • 大気圧が高くなるほど, 凝結温度は上昇, 温室効果は増加.
• 交点がなくなると気候ジャンプが起こる (緑点へ移動).
• 残存極冠解の場合, 大気量にかかわりなく大気圧は決まってしまう.
• 極冠が極に集まってしまう時間スケール と気候ジャンプにかかる時間スケールの比較によって, 極冠のサイズを決めることができるかもしれない.

極冠における 0 次元エネルギーバランスモデル.

極冠における 0 次元エネルギーバランスモデル.

残存極冠解から無極冠解への解の遷移.

不安定解について

• Yokohata et al. (2002) の解釈で理解できる.
  • 大気量の摂動に対する正味の凝結と蒸発の変化を考えればよい.
• 実際に大気量を安定解の状態から不安定解付近の状態へ増加させる と, 追加した量の微妙な違いで解の落ち着く先が異なる.

太陽定数を現在の 70 % にして自転軸の傾きを変化させた場合.

• 残存極冠解から無極冠解, 季節極冠解へのジャンプはみられない.
  • 極ではなく中緯度に残存極冠ができてしまう.
  • 平均日射が極小となる緯度に対応している.
• 残存極冠解にはヒステリシスが見られる.

中緯度に残存極冠ができていく様子:
自転軸の傾きを 50 度から 52.5 度へ増加させた場合の極冠量の時間変化

• 中緯度の極冠は 50 度付近で最終的に線 (ice ring) になる.
• 50 度での氷の量はピークに達した後少し減少する. ice ring の中心が 50 から少しずれているため.

• 上図: 地表面温度の変化にともない大気構造の変化
• 下図: 光学的厚さの計算式. 大気構造が飽和蒸気圧曲線で規定されるようになると, 光学的厚さは温度の関数になる.

• 上図: 非凝結成分を増加させた場合の OLR の変化

• 定圧非熱を増加させた場合

• 乾燥大気の場合

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