木星の縞をつくる風は、雲の下どこまで続いているのか？
木星の縞は、雲が静かに並んでできた模様ではない。東西に逆向きに吹く強い風が、明るい帯と暗い帯を分けている。探査機ジュノーが重力を測定した結果、この風は目に見える雲の下およそ3,000kmまで続いていることが分かった。
写真に写る縞は、木星大気の最も外側にある雲の層だ。木星には人が立てる固体の表面がないため、探査研究では雲の頂上を深さの基準にする。したがって「雲の下3,000km」とは、縞の色がそこまで続くという意味ではない。縞をつくる風の動きが、その深さまで続くという意味である。
- 約9時間56分 木星が1回自転するのにかかる時間
- 約3,000km 縞をつくる東西風が雲の下まで続く深さ
- 約300km マイクロ波観測から推定した大赤斑の深さ
- 北極8個・南極5個 各極の中央の嵐を取り囲む巨大なサイクロンの数
速い自転はどのように長い縞をつくるのか？
木星は太陽系の惑星で最も速く自転する。内部から上がる熱は大気の気体を上昇させ、冷えた気体は再び下降する。そこに速い自転の影響が加わると、南北へ動いていた流れは東または西へ曲げられる。その結果、反対方向に吹くジェット気流が隣り合って並び、長い帯を形づくる。ただし、ジェット気流がどのように生まれ、長期間保たれるのかには、まだ解明されていない点がある。
ジュノーは雲の写真を撮っただけではない。マイクロ波観測装置で雲の下のアンモニアと温度を調べ、地球とやり取りする電波で探査機の速度のごく小さな変化も測った。深い場所の風は木星内部の質量をわずかに移動させ、重力に痕跡を残す。研究チームはその痕跡を計算し、ジェット気流が雲の下およそ3,000kmまで続くという結論を得た。
大赤斑はどれほど深い嵐なのか？
大赤斑は、少なくとも1830年代から観測されてきた巨大な高気圧性の嵐である。長く存続しているが、同じ姿のまま止まっているわけではない。異なる時代の観測を比べると、幅は次第に小さくなり、輪郭や色も変わり続けている。大赤斑は木星に固定された染みではなく、今も変化している気象現象だ。
ジュノーのマイクロ波観測装置は大赤斑の下にある温度構造を追跡し、嵐の深さをおよそ300kmと推定した。別の接近飛行では、大赤斑が引き起こすごく小さな重力変化も測定した。そのデータを解析した研究チームは、嵐による質量分布の違いは雲の下およそ500kmより深いところまでは続いていないと考えた。大赤斑は地球の海よりはるかに深いが、約3,000kmまで達するジェット気流よりは浅い。
木星の極では、まったく異なる景色が見える。北極では中央の嵐を8個の巨大なサイクロンが取り囲み、南極では5個が取り囲んでいる。地球から木星を横向きに見ると極域は見えにくかったが、南北両極の上を通るジュノーが、この配置を初めて詳しく撮影した。巨大な嵐が長い間ほぼ同じ間隔を保つ理由は、今も研究中である。
木星の写真に見える縞と大赤斑は、表面に刻まれた模様ではない。異なる方向と深さで動く大気が、その瞬間に見せる姿である。
固体の表面がないのに、内部をどう調べるのか？
木星の内部へ下るほど圧力と温度が高くなり、水素の性質が変わる。外側では気体のように動くが、より深い場所では液体に近い状態で流れ、電気を通す金属水素へ変わる。気体が終わって液体が始まる明確な床はない。目に見える雲の層から中心部まで、物質の状態は少しずつ変化していく。
ジュノーは木星の近くを通過するとき、探査機がどれほど加速し減速するかを精密に測る。木星内部の質量が均一に分布していなければ、探査機を引く力も場所によってごくわずかに変わる。この変化を計算すると、重い元素が内部のどこに集まっているかを推定できる。
測定結果は、岩石や氷をつくる成分が小さく硬い球として中心だけに集まっているとは限らないことを示している。重い元素の一部が周囲の水素と広い範囲で混ざり、核と外側の層との境界がぼやけている可能性がある。研究者はこれを「希釈された核」または「ぼやけた核」と呼ぶ。核が存在しないという意味ではなく、中心部が教科書の単純な層構造より複雑だという意味である。
木星の内部構造は、断面を直接撮影したものではない。重力場、磁場、大気組成を同時に説明できるモデルから推定しているため、核の大きさや重い元素の分布には今も複数の解釈が残っている。
木星の磁場は、ジュノーの飛び方をどう変えたのか？
木星の深部にある金属水素は電気を通す。木星が高速で自転する間にこの物質が動くと、巨大な発電機のように電流と磁場を生み出す。ジュノーの測定から、木星の磁場は棒磁石のように単純ではなく、地域によって強さと向きが大きく異なることが分かった。
強い磁場は電荷を帯びた粒子を捕らえ、木星の周囲に危険な放射線帯をつくる。ジュノーはその中を長く通らないよう、木星から遠く離れた後に南北の極上空へ短時間だけ接近する細長い軌道を回る。電子機器は厚いチタン製の箱の中で保護されている。この特別な飛行経路のおかげで、ジュノーは極域の嵐を観察し、同じ接近飛行で重力と磁場を測ることができた。
木星の写真は何を見せているのか？
木星の写真で明るい帯と暗い帯を見たとき、それを固体表面の色だと考えると、木星の動きを見落としてしまう。帯の境界では風が反対方向に吹き、大赤斑の大きさと形は時間とともに変化する。写真ごとに雲の姿が違うことは、木星が絶えず変わる大気の世界である証拠だ。
ジュノーは雲の下を直接照らすカメラの代わりに、マイクロ波、重力、磁場という三つの異なる手掛かりを集めた。その結果、縞をつくる風は数千kmの深さまで続き、大赤斑はそれより浅く、中心部では重い元素が広く混ざっている可能性があることが分かった。木星の外見を正しく読み解くことは、見えない内部を知ることでもある。
出典
- NASA Science — Jupiter Facts
- NASA Science — Juno Mission
- NASA Science — Juno Probes the Great Red Spot
- Nature — Jupiter’s Atmospheric Jet Streams Extend Thousands of Kilometres Deep
- Science — Microwave Observations of Jupiter’s Atmospheric Vortices
- Science — The Depth of Jupiter’s Great Red Spot
- Nature — Clusters of Cyclones Encircling Jupiter’s Poles