[論文レビュー] Jupiter and Saturn Rotation Periods

Ravit Helled, G. Schubert+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 15被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、等圧面の力学的高さを最小化することで、ゾーン風データと掩蔽半径を用いて木星および土星の自転周期を推定する手法を提案する。この手法により、木星の自転周期は9h 54m 29.7s、土星の自転周期は10h 32m 35sと算出され、複数のアプローチで一貫性を示し、以前の推定よりも速い自転が支持される。

ABSTRACT

Anderson & Schubert (2007, Science,317,1384) proposed that Saturn's rotation period can be ascertained by minimizing the dynamic heights of the 100 mbar isosurface with respect to the geoid; they derived a rotation period of 10h 32m 35s. We investigate the same approach for Jupiter to see if the Jovian rotation period is predicted by minimizing the dynamical heights of its isobaric (1 bar pressure level) surface using zonal wind data. A rotation period of 9h 54m 29s is found. Further, we investigate the minimization method by fitting Pioneer and Voyager occultation radii for both Jupiter and Saturn. Rotation periods of 9h 55m 30s and 10h 32m 35s are found to minimize the dynamical heights for Jupiter and Saturn, respectively. Though there is no dynamical principle requiring the minimization of the dynamical heights of an isobaric surface, the successful application of the method to Jupiter lends support to its relevance for Saturn. We derive Jupiter and Saturn rotation periods using equilibrium theory in which the solid-body rotation period (no winds) that gives the observed equatorial and polar radii at the 100 mbar level is found. Rotation periods of 9h 55m 20s and 10h 31m 49s are found for Jupiter and Saturn, respectively. We show that both Jupiter's and Saturn's shapes can be derived using solid-body rotation, suggesting that zonal winds have a minor effect on the planetary shape for both planets. The agreement in the values of Saturn's rotation period predicted by the different approaches supports the conclusion that the planet's period of rotation is about 10h 32m.

研究の動機と目的

• 大気中の等圧面に応用された力学的高さ最小化法を用いて、木星および土星の自転周期を特定すること。
• 以前に土星に提案された最小化法が、木星に対しても適用可能で妥当であるかを検証すること。
• ゾーン風が惑星の形状に与える役割を評価し、固体体積回転が惑星形状を支配しているかどうかを検討すること。
• 変動する電波放射による不確実性を解消するため、掩蔽データと重力データを用いて、土星の自転周期に対する独立した制約を提供すること。
• 磁場と電波放射から導かれる矛盾する自転周期を、物理的に整合性のある自転速度に統合すること。

提案手法

• 地殻からの相対的な力学的高さ変動を最小化するように、自転周期を調整することで、1-bar（木星）および100-mbar（土星）等圧面の力学的高さを最小化する。
• 宇宙探査機データ（パイオニア、ボイジャー、カッシーニ）からのゾーン風プロファイルを用いて、静水的平衡流および力学的高さ異常を計算する。
• 形状理論を用いて、与えられた自転周期と密度プロファイルに対応する惑星形状（赤道半径および極半径）を計算する。
• 100-mbarレベルにおける観測された掩蔽半径（パイオニア／ボイジャー）を、自転周期から導かれるモデル半径と一致させ、残差を最小化する。
• 力学的高さ最小化法の結果を、固体体積回転を仮定した平衡理論の結果と比較する。
• 木星では真の自転周期が既知であるため、この事実を用いて、この手法が土星に適用可能かどうかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 力学的高さ最小化法は、既知の木星の自転周期を的確に再現できるか。この結果は、土星への応用の妥当性を裏付ける。
• RQ2 ゾーン風データを用いて、木星の1-bar等圧面の力学的高さ変動を最小化するには、どの自転周期が最適か。
• RQ3 力学的高さを最小化した場合、パイオニアおよびボイジャーの掩蔽半径が土星の100-mbarレベルに最もよく適合するのはどの自転周期か。
• RQ4 ゾーン風が、固体体積回転と比較して、木星および土星の形状にどの程度の歪みを引き起こすか。
• RQ5 重力データと大気力学を含む複数の独立した手法から、一貫した土星の自転周期が得られるか。

主な発見

• 力学的高さ最小化法により、木星の自転周期は9h 54m 29.7s ± 1分と算出され、国際天文学連合（IAU）System IIIの自転周期9h 55m 29.7sと整合的である。
• パイオニアおよびボイジャーの100-mbarレベルにおける掩蔽データを用いた結果、木星の最適適合自転周期は9h 55m 27sと算出され、既知の値と極めて良好に一致する。
• 土星に対しても同様の手法を100-mbar掩蔽データに適用した結果、自転周期は10h 32m 35sと算出され、Anderson & Schubert（2007）の結果と一致する。
• 固体体積回転を仮定した平衡理論アプローチでは、木星の自転周期は9h 55m 20s、土星の自転周期は10h 31m 49sと算出され、いずれも最小化法の結果と整合的である。
• ゾーン風による木星および土星の力学的歪みは無視できるほど小さく、惑星形状は風の影響よりも主に自転によって支配されている。
• 複数の独立した手法（力学的高さ最小化、掩蔽半径適合、平衡理論）から得られる約10h 32mという一貫性のある結果は、ボイジャー時代の10h 39m 22sよりも速い自転速度である土星の自転が支持されることを示している。