海王星

海王星では、なぜ時速2,000kmを超える風が吹くのか？

海王星は太陽から地球の約30倍離れている。届く日光は地球の約900分の1にすぎないが、雲の動きから時速2,000kmを超える風が観測されている。弱い日光のもとでこれほど強い風が続くには、海王星の内部から出る熱が重要な役割を果たす。海王星は太陽から受け取る量の2倍を超えるエネルギーを宇宙へ放出している。内部熱と約16時間で1回転する速い自転が深い大気を動かしているが、風が雲の下のどこまで続くかはまだ分かっていない。

海王星の赤道直径は約49,500kmで、地球のおよそ4倍ある。太陽を1周するのに約165年かかるため、1つの季節も40年以上続く。長い季節、速い自転、内部熱がともに働くので、特定の雲や嵐を1つ見ただけでは惑星全体の天気を説明できない。

• 約49,500km 赤道に沿って測った海王星の直径
• 約30AU 太陽から地球までの距離のおよそ30倍
• 約16時間 海王星が1回自転するのにかかる時間
• 時速2,000km超 雲を追跡して測った最も速い風

濃い青は、海王星の実際の色をそのまま写したものではない

海王星の大気は大部分が水素とヘリウムで、少量のメタンが赤い光を吸収する。そのため、実際の海王星は淡い青緑色に見える。Voyager 2が1989年に送った画像のうち、広く知られる濃い青の写真は、雲や嵐を見やすくするため色と明暗を強調したものだ。同じ補正方法で処理し直すと、天王星と海王星の色の差は古い写真ほど大きくない。

色から大気の成分は分かるが、風の強さを直接読み取ることはできない。風速は、異なる時刻に撮った画像で雲がどれだけ移動したかを追って計算する。雲頂で測った速い風が、惑星内部まで同じ速度で続くことを意味するわけでもない。

内部から出る熱が大気を動かす

海王星は太陽から受け取るエネルギーの2倍以上を放出している。余分なエネルギーは、惑星ができたときから内部に蓄えられた熱と、内部の物質がゆっくり冷えて変化する際に出るエネルギーで説明される。この熱は下層の大気を温めて上昇と下降を起こすことができ、速い自転は大気の流れを東西方向のジェット気流や渦に分ける働きをする。

ただし、内部熱がどの深さから放出され、どのように時速2,000kmを超える局地的な風へ伝わるのかは確定していない。これまでの風速は主に、見える雲を追って測った値だ。雲の下の温度・組成・風を直接測るには、海王星を回る探査機や大気へ降下するプローブが必要になる。

海王星の大気を動かすエネルギーは日光だけではない。惑星内部から出る熱も、強い風や渦を保つ働きをしている。

大暗斑は現れては消える巨大な嵐だ

Voyager 2が1989年に見た大暗斑は、地球ほどの大きさがある巨大な渦だった。しかしHubbleが1994年に海王星を再び撮影したとき、その暗斑は消えていた。その後も別の緯度に新しい暗斑が現れ、数年のうちに弱まったり消えたりしている。木星の大赤斑のように、1つの嵐が同じ姿で残り続けているわけではない。

暗斑の周りにある明るい雲は、渦に沿って上昇した空気が冷え、メタンの氷が凝結してできると考えられている。ここでいう「暗い」は、黒い物質や固い表面の穴という意味ではない。周囲より光を反射しにくい雲の層か、より深い大気が見える領域である可能性がある。

遠く離れた太陽も雲の量を変える可能性がある

研究者が1994年から2022年までのHubble・Keck・Lickのデータを比べると、海王星の中緯度の雲量は、太陽活動が強まったり弱まったりする約11年の周期に合わせて変化していた。太陽活動が最大になってから約2年後に雲が増える傾向も見つかった。紫外線が上層大気のメタンを分解し、その反応で生じた粒子が成長して雲の形成に影響するという説明と合う。

この結果は相関関係であり、太陽活動が原因だと確定したわけではない。内部から立ち上がる嵐の雲は、太陽活動とは別の仕組みでできることもある。雲は2019年から急速に減り始め、2020年には1994年以降の観測で最も少なくなった。1つの季節が40年以上続く海王星で、わずか1年のうちに起きた急激な変化だ。太陽活動と雲量の関係を確かめるには、今後も複数の11年周期を観測し、同じ変化が繰り返されるか調べる必要がある。

Webbはオーロラの位置と上層大気の温度を測った

Webb宇宙望遠鏡は2023年、海王星の上層大気から届く赤外線を観測した。研究者はそのデータから、オーロラが起きる場所で光を出す荷電粒子H₃⁺の痕跡を見つけ、2025年に海王星のオーロラを初めて確認したと発表した。明るいオーロラは北極や南極ではなく、より赤道に近い中緯度に現れた。海王星の磁場が惑星の自転軸から約47°傾いているためだ。公開画像の青緑色は観測結果を見分けやすくするために付けた色で、人の目に実際に見えるオーロラの色ではない。

同じ2023年のスペクトルで測った上層大気の温度は、Voyager 2が1989年に測った値の半分を少し上回る程度だった。海王星全体の温度が半分になったという意味ではない。オーロラが生じる高い大気層の温度が、数十年の間に大きく変わったという結果だ。上層大気が予想より冷たかったことは、以前の観測でH₃⁺の放射を見つけにくかった理由も説明する。

1. 雲の移動 異なる時刻の画像から、雲頂の風速を計算する。
2. 熱放射 海王星が受け取る日光と放出するエネルギーを比べ、内部熱を見積もる。
3. 長期画像 暗斑の発生と消滅、雲量の変化を数年から数十年にわたって追う。
4. 赤外線スペクトル H₃⁺の放射と上層大気の温度から、オーロラが生じる環境を調べる。

海王星に接近した探査機は、今もVoyager 2だけだ

Voyager 2は1989年8月25日、海王星の雲頂から約4,800kmの地点を通過した。この1回のフライバイで、大暗斑、環、6個の新しい衛星、大きく傾き中心からずれた磁場が確認された。しかし短時間で通り過ぎる探査機では、嵐が数年後に消える様子や、上層大気が数十年かけて変わる過程を見ることはできなかった。

その後の変化はHubbleとWebbが観測し続けてきたが、海王星の内部構造と雲の下の風は、今も間接的にしか推定できない。長期間とどまる周回機と大気へ降下するプローブが一緒に観測すれば、内部熱がどの深さから出て、そのエネルギーがどのように速い風につながるのかを、はるかに正確に確かめられる。

海王星の変化は異なる高度で起きている

海王星を理解するには、濃い青の写真1枚に頼るのではなく、それぞれの観測が何を測ったかを分けて考える必要がある。淡い青緑色は大気の成分を、動く雲は風速を、現れては消える暗斑は大きな渦の寿命を示す。太陽の紫外線は高い雲に影響し、内部熱は深い大気を動かし、傾いた磁場は中緯度のオーロラの位置を決める。これらはすべて同じ惑星で起きるが、1つの原因だけでは説明できない。

出典

• NASA Science — Neptune Facts
• NASA Science — Voyager 2
• NASA — 30 Years Ago: Voyager 2 Explores Neptune
• NASA Science — Hubble Tracks the Lifecycle of Giant Storms on Neptune
• NASA Science — Neptune’s Disappearing Clouds Linked to the Solar Cycle
• NASA Science — Webb Captures Neptune’s Auroras for First Time
• NASA Science — Why Uranus and Neptune Are Different Colors
• NASA Science — NASA, Oxford Discover Warmer Uranus Than Once Thought