[論文レビュー] Jupiter's hydrocarbons observed with ISO-SWS: vertical profiles of C2H6 and C2H2, detection of CH3C2H

Thierry Fouchet, E. Lellouch+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2000

Astro and Planetary Science被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、ISO-SWS赤外分光法を用いて木星の大気圏におけるアセチレン（C₂H₂）およびエタン（C₂H₆）の垂直プロファイルを導出し、C₂H₂の混合比勾配は−dlnq/dlnP = 0.8±0.1、C₂H₆は0.6±0.2であることが判明した。両者はGladstoneら（1996）の光化学モデルと整合しない。本研究では、低緯度におけるメチルアセチレン（CH₃C₂H）の初回検出を報告し、柱密度が(1.5±0.4)×10¹⁵ cm⁻²であった。また、ジアセチレン（C₄H₂）の上限は7×10¹³ cm⁻²であった。これは、木星の光化学モデルにおけるC₂H₂/C₂H₆生成速度比を再考する必要があることを示している。

ABSTRACT

We have analysed the ISO-SWS spectrum of Jupiter in the 12-16 micron range, where several hydrocarbons exhibit rovibrational bands. Using temperature information from the methane and hydrogen emissions, we derive the mixing ratios (q) of acetylene and ethane at two independent pressure levels. For acetylene, we find $q=(8.9^{+1.1}_{-0.6}) imes10^{-7}$ at 0.3 mbar and $q=(1.1^{+0.2}_{-0.1}) imes10^{-7}$ at 4 mbar, giving a slope $-d\ln q / d\ln P=0.8\pm0.1$, while for ethane $q=(1.0\pm0.2) imes10^{-5}$ at 1 mbar and $q=(2.6^{+0.5}_{-0.6}) imes10^{-6}$ at 10 mbar, giving $-d\ln q / d\ln P=0.6\pm0.2$. The ethane slope is consistent with the predictions of Gladstone et al. (1996), but that predicted for acetylene is larger than we observe. This disagreement is best explained by an overestimation of the acetylene production rate compared to that of ethane in the Gladstone et al. (1996) model. At 15.8 micron, methylacetylene is detected for the first time at low jovian latitudes, and a stratospheric column density of $(1.5\pm0.4) imes10^{15}$ molecule.cm-2 is inferred. We also derive an upper limit for the diacetylene column density of $7 imes10^{13}$ molecule.cm-2.

研究の動機と目的

• 高分解能赤外分光法を用いて、木星の大気圏における主要炭化水素（C₂H₂およびC₂H₆）の垂直分布を特定すること。
• 観測された混合比勾配とモデル出力を比較することで、Gladstone ら（1996）の光化学モデルの予測を検証すること。
• 木星の赤道付近大気圏におけるより複雑な炭化水素（C₃およびC₄種）の探索と検出を行うこと。
• 観測された濃度とモデルの予測を比較することで、炭化水素の相対生成速度を制約すること。
• 観測による光化学モデルの妥当性の検証を通じて、木星大気圏化学および力学の理解を深めること。

提案手法

• 分子吸収特徴をモデル化するため、ラインごとの放射移動コードを用いて12–16 μm範囲のISO-SWSスペクトルを分析する。
• 複数の圧力レベル（0.3–10 mbar）における温度プロファイルを、メタン（CH₄）ν₄バンドおよびH₂ S(1)線発光を用いて導出する。
• 観測スペクトルの逆問題解法により、2つの独立した圧力レベル（C₂H₂は0.3 mbarおよび4 mbar、C₂H₆は1 mbarおよび10 mbar）における混合比（q）を抽出する。
• 混合比が圧力上昇に伴い減少する割合を評価するため、垂直勾配−dlnq/dlnPを計算する。
• 正確な放射移動モデリングのため、GEISA97データベースからの分光パラメータおよびBorysow ら（1985, 1988）の衝突誘起H₂-He連続体を用いる。
• 12.5–17 μm範囲における機器の干渉縞効果を低減するため、周波数選択フィルタリングを適用し、スペクトルの正確性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISO-SWS観測から導かれる木星の大気圏におけるアセチレン（C₂H₂）およびエタン（C₂H₆）の垂直混合比プロファイルは何か？
• RQ2 観測されたC₂H₂およびC₂H₆の垂直勾配は、Gladstone ら（1996）の光化学モデルの予測とどのように異なるか？
• RQ3 メチルアセチレン（CH₃C₂H）は木星の赤道付近大気圏で検出可能か？その推定柱密度は何か？
• RQ4 観測された上限に基づいて、C₃およびC₄炭化水素の生成速度にどのような制約を課せられるか？特にジアセチレン（C₄H₂）について。
• RQ5 観測されたC₂H₂/C₂H₆濃度比は、現在の木星光化学モデルにおける仮定された生成速度比をどの程度再評価する必要があるか？

主な発見

• アセチレン（C₂H₂）の混合比は、0.3 mbarで(8.9⁺¹.¹₋₀.₆)×10⁻⁷、4 mbarで(1.1⁺⁰.²₋₀.¹)×10⁻⁷であり、垂直勾配は−dlnq/dlnP = 0.8±0.1であった。
• エタン（C₂H₆）の混合比は、1 mbarで(1.0±0.2)×10⁻⁵、10 mbarで(2.6⁺⁰.⁵₋₀.⁶)×10⁻⁶であり、勾配は−dlnq/dlnP = 0.6±0.2であった。
• 観測されたC₂H₂の勾配は、Gladstone ら（1996）モデルが予測する値よりも顕著に低く、C₂H₂の生成速度がC₂H₆に対して過大評価されていることを示唆している。
• メチルアセチレン（CH₃C₂H）は、木星の低緯度大気圏で初回検出され、柱密度は(1.5±0.4)×10¹⁵ cm⁻²であった。
• ジアセチレン（C₄H₂）の上限は7×10¹³ cm⁻²であり、Gladstone ら（1996）モデルの予測値の65分の1にとどまった。
• 観測されたCH₃C₂H/C₄H₂濃度比は20以上であり、モデルが予測する約2と著しく対照的であり、木星大気圏の現在の光化学フレームワークに深刻な不整合を示している。