金星大気中の物質輸送は、データが限られていたこともあり、これまでのところ専ら鉛直1次元モデルの枠組の中で議論されてきた。しかし近年(Pioneer Venus以後)、地球の中層大気循環についての理解が大幅に進んだこと、Galileo衛星がフライバイの際に新たに多くの知見をもたらしたこと、近赤外域の分光画像観測で雲層の下の大気のデータが増えたことなどによって、大気大循環による物質輸送について議論できるようになりつつある。本論文では、(1)中層大気の子午面循環の中での雲層の形成、(2)その子午面循環が気象力学的にはどのような性質の循環であるか、(3)地表面に接する下層大気の循環による熱輸送、(4)上層大気において子午面循環や乱流輸送を駆動する大気重力波が放射緩和によりどのような影響を受けるか、について議論する。

　これまでの観測や鉛直1次元モデルで得られている雲層の描像は、硫酸水溶液である雲粒子が雲頂で光化学的に作られ、雲粒子は沈降して高温の下層大気に達すると蒸発・分解する、というものである。しかし実際の金星の雲層においては低緯度で上昇してきて雲層を極向きに流れて高緯度で下降するような子午面循環が存在し、雲頂付近では粒径が小さい雲粒子は子午面循環の上昇流に打ち勝って沈降することができない。そのため、生成した雲粒子はほとんどが子午面循環で極向きに運ばれるはずである。

　ここでは、雲粒子の凝結&蒸発と単純化した化学反応を2次元(緯度、高度)の移流拡散モデルに組み入れたものを用いて、雲層の形成過程と大気組成分布について考察した。濃度を計算する物質はH₂SO₄とH₂O、計算領域は高度30-70kmの半球とし、時間発展モデルで定常状態を求めた。化学過程は、硫酸の生成および分解の正味の反応を単純化した形で導入し、H₂SO₄とH₂Oの凝結・蒸発は平衡状態を仮定して飽和蒸気圧で決め、子午面循環の場は観測と合うような単純な流線関数で与え、雲粒子の沈降速度は粒径分布の観測をもとに高度の関数として与えた。鉛直渦拡散係数は、雲層より上と下では観測から見積もられている値を用い、雲の中では対流によるかき混ぜを考慮して大きめの値を与えた。境界条件は、H₂SO₄については上下端とも混合比勾配ゼロ、H₂Oについては下端を30ppmに固定し上端は混合比勾配ゼロとした。計算結果の一部を図1〜3に、これらの結果から得られた新しい描像を図4に示す。

図1 雲粒子(H₂SO₄-H₂O液滴)密度の計算結果

図2 H₂SO₄蒸気混合比の計算結果

図3 各緯度での雲粒子高度分布の計算結果

図4 金星大気のH₂SO₄循環の新しい描像

　雲頂付近で光化学的に生成した雲粒子はほとんどが子午面循環で極向きに運ばれ(図1)、やがて高緯度で下層大気に運ばれた雲粒子は蒸発してH₂SO₄蒸気を生成し(図2)、その一部は子午面循環によって雲層の下を赤道向きに運ばれる。低緯度で子午面循環によって上昇したH₂SO₄蒸気は凝結して雲粒子になる(図1)。低緯度の雲底近くでは雲粒子の沈降速度は子午面循環の上昇流より速いので、雲粒子は効果的に沈降してH₂SO₄の子午面循環がせき止められる。その結果として低緯度の雲底付近でH₂SO₄蒸気の濃度が大きくなり(図2)、濃いlower cloudが現れる(図1)。

　図3において低緯度の高度51-56kmに見られるmiddle cloudは、硫酸蒸気が雲の中の対流によって運び上げられて凝結して生成したものである。低緯度では観測と同様にupper,middle,lower cloudの存在が明瞭だが、このような計算結果を得たのは本研究が初めてのものである。

　図1では低緯度と高緯度で雲が厚くなり中緯度では相対的に薄くなっているが、このような傾向は最近の近赤外域の観測と整合的である。また、図2ではH₂SO₄蒸気が低緯度に濃集し、H₂SO₄蒸気の存在高度が低緯度で高いが、このような傾向もradio occultationによる観測と整合的である。

　このようにモデル計算結果は様々な観測結果を同時にうまく説明し、雲粒のライフサイクルや微量気体の分布が子午面循環に支配されることが初めて示された(図4)。

　金星中層大気において観測で示唆されているような子午面循環が存在するためには、角運動量の収支から、雲層および雲層より上の領域においてEliassen-Palm(EP)flux収束(東向き運動量の湧き出し)が必要である。本研究ではこのEP-fluxをもたらす機構を検討した。まず観測された温度分布から子午面循環の流速を見積もり、そこから(角運動量収支から必要とされる)雲頂高度での上向きEP-fluxを見積もった。その結果EP-fluxは中緯度で顕著なピークを持つことがわかり、これをもたらす候補としてロスビー波と重力波が示唆された。簡単な定量的見積りから、主にロスビー波による運動量輸送が循環を駆動するという地球成層圏に似た描像を得た(図5)。

図5 大気波動が駆動する金星の中層大気循環

　また、Pioneer Venusの長期にわたる観測で明らかになった数年スケールの変動にロスビー波の盛衰が影響していることも示唆された。すなわち、ロスビー波が駆動する子午面循環が極向きに熱を運ぶと、極-赤道間の温度コントラストが緩和され、旋向風バランスしている中緯度ジェットが弱まる。

　下層大気の輸送の時間スケールはこれまでのところ全くわかっていない。近年Magellan探査機による地表面の風痕の観測によってハドレー循環の存在が示唆されており、下層大気においても子午面循環が主な輸送過程であると考えられる。本研究では、循環による極向き熱輸送が上層と下層の間の温位差と循環流速で決まることを使って、ハドレー循環の強さを短波・長波放射および大気安定度の観測値から推定した。推定された循環の時定数は10-20年で自転周期よりもずっと長く、夜昼間対流よりも軸対称循環が卓越していることと整合的である。ハドレー循環による鉛直熱輸送は放射による熱輸送に比べて小さいものの無視できない程度であり、このような循環による熱輸送によって下層大気が安定化されている可能性も示唆された。

　CO₂15m帯の放射緩和が大気重力波および大気重力波の砕波乱流に及ぼす影響を、地球・火星・金星の上層大気について検討した。その結果、火星および金星の上層大気中で放射緩和による重力波の減衰が大きいことが明らかになった。このような領域では砕波乱流も著しく弱められ、そのぶん子午面循環による輸送の重要性が増す。また、その減衰が酸素原子密度に大きく依存することも示されたが、これは上層大気の非LTE(local thermodynamic equilibrium)領域において酸素原子がCO₂15m帯を衝突励起して熱放射を促進するためである。