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[PCG38-01] 高速回転する薄い球殻内の熱対流により引き起こされる表層の帯状流
キーワード：巨大ガス惑星大気, 縞状構造, 赤道加速ジェット流, ロスビー波, 木星, 土星
木星と土星の表層の流れは, 赤道周辺の幅の広い順行ジェットと中高緯度で交互に現われる互いに逆向きの幅の狭いジェットが特徴的である. この表層のジェットが深部領域の対流によって生成されているのか, 表層の流体運動の結果なのかは未だに明らかになっていない. 流体層の厚さが惑星半径に比して十分小さい「浅い」モデル, すなわち, 鉛直方向の静水圧近似の仮定の下で深部からの熱流と太陽加熱によって大気の運動が駆動されるモデルでは, 中高緯度の交互に表われる幅の狭いジェットは再現されるものの, 赤道域のジェットは必ずしも順行方向とはならない. 一方で, 流体層の厚さが惑星半径に匹敵する「深いモデル」, すなわち高速回転する球殻中の熱対流モデルでは, 赤道域の順行するジェットは容易に生成されるものの, 中高緯度の交互に表われるジェットの生成が困難である. 最近 Heimpel and Aurnou (2007) は, これまでに考えられていた深いモデルよりも薄い球殻領域内の深部対流運動を考え, レイリー数が十分大きく内球接円筒での対流が活発な場合に, 赤道域の順行流と中高緯度の交互に現われる狭いジェットが共存する状態を数値的に再現した. しかしながら, 彼らの研究では経度方向に 8 回対称性を仮定しており, 全球の 1/8 の領域の運動しか解いていない. このような領域の制限は流れ場全体の構造に影響を与えている可能性がある. 例えば, 2 次元乱流的なエネルギーの upward cascade が十分に作用せず, 互い違いの縞状ジェットが生成されないかもしれない. また, 生成される帯状流が不安定となって縞状ジェットが壊されてしまうかもしれない. そこで本研究では、計算機性能の制約から幾分遅い回転角速度と粗い解像度ながらも, 薄い球殻対流の数値計算を全球で行うことで, 赤道域および中高緯度領域の帯状流が形成されるか否かを吟味した.モデルは回転する球殻中のブシネスク流体の方程式系から構成される. 方程式系に現われる無次元数であるプランドル数を 0.1, エクマン数を 10-4, 球殻の内径外径比を 0.75, 修正レイリー数を 0.05 に固定した. 境界条件は, 温度固定, 応力無し条件である. 初期には回転系での静止状態にランダムな温度擾乱を加えた. 35000 回転まで時間積分したところ, 運動エネルギーが飽和し統計的定常状態に達した. 得られた流れ場の構造はテイラープラウドマンの定理に従い回転軸方向にほぼ一様となっている. 表層の帯状流は, 接円筒外側に相当する赤道域で一本の太い順行流が生成されている. 接円筒内側に相当する領域では全体的に逆行流であるが, 接円筒に近い低緯度域で東向きのスパイク状の流れ分布が見られる. 球殻中層での鉛直速度分布をみると, このスパイク状の分布の緯度帯に小スケールの対流運動が規則的に存在している. これらの対流運動が地形性ロスビー波を励起し, 西向き角運動量を抜き去ることによってスパイク状の流れが形成されているのかもしれない. このような力学的機構は木星表面の北緯 25 度付近に見られる強くて細い西風ジェットの生成機構を示唆している可能性がある. 謝辞 : 本研究の数値計算には海洋研究開発機構の地球シミュレータ(ES2)を用いた.参考文献 : Heimpel, M., Aurnou, J. (2007) Icarus, 187, 540--557.