The cloud tracking method with cross correlations is the most practical mean of measuring the wind velocity with extensive spatial and temporal coverage for a cloudy planet like Venus. To study the atmospheric dynamics of Venus, an improved cloud tracking method for deriving wind velocities from successive planetary images was developed. In this method, to reduce measurement errors in wind velocities, we combined several techniques: redetermining the camera pointing information by fitting an ellipse to the Venus limb in each image; calibrating optical distortions using Venus images taken after the orbital insersion of the spacecraft; and correcting erroneous cloud motion vectors by re-determining the most plausible correlation peak among all of the local maxima on the correlation surface by comparing each vector with its neighboring vectors.

The newly-developed method was applied to the Venusian violet images obtained by Solid State Imaging system (SSI) onboard the Galileo spacecraft during its Venus flyby and Venus Monitoring Camera (VMC) onboard Venus Express. Two-dimensional distributions of the horizontal wind vector were successfully obtained.

From the SSI data, it was found that the solar-fixed component of the wind velocity field in 1990 was similar to that in 1982 obtained by the Pioneer Venus orbiter. This suggests that the structures of the mean circulation and the thermal tides were largely unchanged between these epochs. The deviation of the instantaneous zonal wind field from the solar-fixed component shows a distinct wavenumber-1 structure in the equatorial region. On the assumption that this structure is a manifestation of an equatorial Kelvin wave, the momentum deposition by this Kelvin wave, which is subject to radiative damping, would induce a westward mean-wind acceleration of ~0.3 m s-1 per Earth day.

From VMC data over four years, an indication of a periodical, long-term oscillation of the super-rotation was suggested for the first time. The estimated period of about 260 d is longer than one Venus year, and thus the oscillation will not be a seasonal cycle. When the mean zonal wind is relatively fast, its latitudinal profile is nearly flat from low to mid-latitudes, while distinct mid-latitude jets emerge when the mean wind is relatively slow. Since the amplitude of the long-term variation is larger at lower latitudes, the mid-latitude jets are emphasized during the slow wind period.

Kelvin wave-like perturbations are observed when the background wind is relatively slow, while Rossby wave-like perturbations are observed when the background wind is relatively fast. We investigated the influence of the variation of the background zonal wind speed on the upward propagation of Kelvin and Rossby waves at altitudes 60-100 km assuming that radiative damping is the principal dissipation process. Results from a linearized primitive equation model suggests that Kelvin waves can reach the cloud top height in the slow background wind period and that Rossby waves can reach the cloud top in the fast wind period, being consistent with the observations. The horizontal wave structures of the modeled Kelvin and Rossby waves are also in agreement with VMC observations.

Since the momentum deposition by these waves can accelerate and decelerate the mean flow, these waves will contribute, at least partly, to the periodical oscillation of the super-rotation. The Kelvin wave in our model showed significant acceleration in low latitudes and it can be a candidate of the increasing of zonal wind speed. However, because the Rossby wave decelerates mainly in mid-latitudes, other mechanisms are required to decelerate to the zonal wind speed in low latitudes, and the advection flow may play a key role of the deceleration.

Study of Venus atmosphere dynamics using cloud tracking technique(雲追跡手法を用いた金星大気力学の研究)と題するこの論文は6章より成り、自ら開発した新解析技法を用いて欧州の金星探査機Venus Express搭載の紫外カメラVMC(Venus Monitoring Camera)のデータから得た新しい知見を議論している。

第1章ではこれまでの金星大気に関する観測と理論、特に50年来の謎である大気超回転現象に関する背景事項がまとめられている。第2章では雲追跡手法の高精度化に関する修士期から続く地道な努力が述べられている。この応用として、第3章では金星にフライバイした木星探査機ガリレオにより得られたデータの解析結果が記述されており、第4章では欧州の金星探査機Venus Express搭載の紫外カメラVMCのデータを、これまでに開発してきた新技法を用いて解析している。第5章では、前章で得られた観測事実に基づき、金星大気中における大気加速メカニズムについて考察し、積年の問題である「大気超回転」維持機構解明の鍵となりうる重要情報の抽出に成功しており、第6章がまとめとなっている。

本研究の成果の中心は「新開発の解析手法を駆使することにより、先人がこれまでの解析で認識しえなかった新事実を浮き上がらせ、大気超回転維持機構に関する新知見を得た」という点にある。雲追跡による金星大気力学パラメタの導出は標準技法だが、そこには視線方向誤差および誤追跡の2種の不確定要因があり、解析精度の向上を阻んできた。著者はまずこの点に着目し、周回軌道上でも可能な結像系収差の補正を含めた高精度方向決定アルゴリズムを確立し、かつ最尤法的手法の導入により誤追跡を防ぐアルゴリズムを確立した。この精度向上により風速の推定誤差は擾乱成分に比べて小さくなり、大気波動に伴う風速擾乱が充分検出可能となった。想定していた「あかつき」からのデータ入手は2010年末の周回軌道投入失敗により不可能となったが、著者はこの困難を乗り越え、欧州の金星探査機Venus Express 搭載の紫外カメラVMCからのデータを入手して同様の解析を進めた。その結果、それまで見られた大気超回転の年々変動が255日の周期をもつことを世界で初めて示した。ここに修士期から積み重ねてきた精度改良により、VMCを主導している欧州のグループでさえなし得なかった精度でデータを処理できたことが生きている。さらにこの結果の解釈から東西風速が大きい時期にはRossby波、小さい時期にはKelvin波的な変動が卓越していることを示した。また、このことを説明するためモデル計算を行い、臨界高度が形成されなくても放射減衰によって波の鉛直伝搬性が変化すること、つまり「雲層高度での放射減衰と背景風速の変化により、時期により雲頂高度で卓越する波種が交代する」ということを示し、観測結果と整合的なシナリオを提示した。これは大気超回転維持機構解明のための重要な鍵となりうる新発見であり、今後の研究による展開が期待される。

このように著者は解析技法の改良という地道な作業に始まり、当初予定データの入手不能という事故に見舞われながらもくじけずに研究を発展させ、先人が抽出できなかった情報から新事実に到達し、かつモデル計算を合わせることによって現実味のあるシナリオを提示することにも成功した。つまり、理学研究の多くの要素を含みかつ独創性に満ちた豊かな研究といえる。

なお、本論文第2章などはJAXA・宇宙科学研究所の山崎敦博士ほか多くの人々との共同研究であるが、論文提出者が主体となって行ったものであり、その寄与は充分であると判断する。

以上より、論文提出者に博士(理学)の学位を授与できると認める。