[論文レビュー] Meridional variations of C$_2$H$_2$ in Jupiter's stratosphere from Juno UVS observations

Rohini Giles|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 34被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ジュピターのイオン圏におけるアセチレン（C₂H₂）の全惑星的赤道・極域方向の再構成を、Juno UVS機器による遠紫外線反射光を用いて初めて実施した。極域に向かってC₂H₂濃度が2–4倍減少していることが確認され、赤道における紫外線光分解反応駆動の生成と、分布を均一化するのに不十分な水平混合の結果であることが示され、大気の混合時間スケールに関する新たな制約が得られた。

ABSTRACT

The UVS instrument on the Juno mission records far-ultraviolet reflected sunlight from Jupiter. These spectra are sensitive to the abundances of chemical species in the upper atmosphere and to the distribution of the stratospheric haze layer. We combine observations from the first 30 perijoves of the mission in order to study the meridional distribution of acetylene (C$_2$H$_2$) in Jupiter's stratosphere. We find that the abundance of C$_2$H$_2$ decreases towards the poles by a factor of 2-4, in agreement with previous analyses of mid-infrared spectra. This result is expected from insolation rates: near the equator, the UV solar flux is higher, allowing more C$_2$H$_2$ to be generated from the UV photolysis of CH$_4$. The decrease in abundance towards the poles suggests that horizontal mixing rates are not rapid enough to homogenize the latitudinal distribution.

研究の動機と目的

• JunoのUVS機器を用いた遠紫外線反射光を用いて、ジュピターの大気圏におけるアセチレン（C₂H₂）の赤道・極域方向分布をマッピングすること。
• C₂H₂濃度の緯度依存性と、大気の混合および光化学反応への影響を調査すること。
• Cassini CIRS、Voyager IRIS、地上望遠鏡TEXESデータを用いた従来の赤外線観測と照合し、一貫性と時間的変化を評価すること。
• 非平衡状態の炭化水素の赤道・極域勾配を用いて、ジュピターの大気圏における水平混合時間スケールを制約すること。
• 発光の寄与が複雑であるため、オーロラ領域を分析から除外し、非オーロラ領域の緯度傾向に焦点を当てる。

提案手法

• Junoミッションの30回の近点通過を用いて、UVS機器による遠紫外線反射スペクトルを取得した。
• 観測スペクトルを逆解釈し、C₂H₂体積混合比プロファイルを抽出するために、NEMESIS放射移動および再構成ツールを適用した。
• 断面測定幾何学とスペクトルフィッティングを用いて、複数の気圧レベル（5–50 mbar未満）における赤道・極域方向の濃度分布を再構成した。
• 高緯度のオーロラスペクトルを除外し、オーロラ発光による汚染を避けて、非オーロラ大気圏化学に焦点を当てる。
• Cassini CIRS、Voyager IRIS、地上望遠鏡TEXESデータを用いた従来の赤外線ベースの研究と、再構成されたC₂H₂分布を比較した。
• 120–210 nm範囲のスペクトル特徴、特にC₂H₂からの吸収特徴を用いて、柱状濃度と緯度依存性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Juno UVSによる遠紫外線観測から得られた、ジュピターの大気圏におけるアセチレン（C₂H₂）の赤道・極域方向分布はどのように変化するか？
• RQ2 観測されたC₂H₂濃度勾配は、Cassiniおよび地球基盤望遠鏡からの従来の赤外線ベースの測定とどのように比較されるか？
• RQ3 C₂H₂濃度の緯度依存性は、日射駆動の光化学反応と水平混合の制限のどちらに強く依存しているか？
• RQ4 C₂H₂濃度に北半球・南半球の非対称性は存在するか？また、異なるミッションや季節の観測と比較してどう異なるか？
• RQ5 観測されたC₂H₂分布を用いて、ジュピターの大気圏における水平混合時間スケールを推定できるか？

主な発見

• C₂H₂濃度は、極域に向かって2–4倍減少しており、紫外線フラックスが低く、光化学的生成が減少するため、一致している。
• 観測された赤道・極域勾配は、C₂H₂が非平衡状態の物質であり、その分布が光化学的生成率と不十分な水平混合によって制御されているという仮説を支持している。
• 低緯度におけるC₂H₂分布に顕著な北半球・南半球非対称性は観測されず、Cassini CIRSの以前のデータとは対照的である。Cassini CIRSでは20°Nにピークが観測された。
• C₂H₂濃度勾配は、Cassini CIRS（2000年）、地上望遠鏡TEXES（2014年、2013–2017年）、Juno UVS（2016–2020年）の複数のデータセットで一貫しており、恒久的な緯度依存的傾向であることが示された。
• ジュピターの離心軌道にもかかわらず、C₂H₂勾配に顕著な季節的変化が認められないことから、これらの高度では季節的効果が最小限であることが示唆された。
• 紫外線分光法を大気圏痕跡ガスの再構成に用いることが妥当であり、Juno UVSがオーロラ科学を超えて大気化学研究に有用であることが実証された。