[論文レビュー] Observations of mesospheric CO2 and H2O clouds on Mars

M. Vincendon, C. Pilorget+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2011

Planetary Science and Exploration被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、CRISMデータを用いて、H2OとCO2氷のスペクトル的性質の違いを活用して、火星の中層圏におけるCO2氷雲を検出する新しい近赤外分光法を提示する。54件のCRISM CO2雲観測が得られ、粒子径は0.5–2 μm、光学濃度は0.3未塔であった。OMEGAデータとの整合性が確認され、80 kmに達する高高度のH2O雲が同定され、過去の雲分布モデルにおける不一致を説明する。

ABSTRACT

Carbon dioxide clouds, which are speculated by models on solar and extra-solar planets, have been recently observed near the equator of Mars. The most comprehensive identification of Martian CO2 ice clouds has been obtained by the near-IR imaging spectrometer OMEGA. CRISM, a similar instrument with a higher spatial resolution, cannot detect these clouds with the same method due to its shorter wavelength range. Here we present a new method to detect CO2 clouds using near-IR data based on the comparison of H2O and CO2 ice spectral properties. The spatial and seasonal distributions of 54 CRISM observations containing CO2 clouds are reported, in addition to 17 new OMEGA observations. CRISM CO2 clouds are characterized by grain size in the 0.5-2\mum range and optical depths lower than 0.3. The distributions of CO2 clouds inferred from OMEGA and CRISM are consistent with each other and match at first order the distribution of high altitude (>60km) clouds derived from previous studies. At second order, discrepancies are observed. We report the identification of H2O clouds extending up to 80 km altitude, which could explain part of these discrepancies: both CO2 and H2O clouds can exist at high, mesospheric altitudes. CRISM observations of afternoon CO2 clouds display morphologies resembling terrestrial cirrus, which generalizes a previous result to the whole equatorial clouds season. Finally, we show that morning OMEGA observations have been previously misinterpreted as evidence for cumuliform, and hence potentially convective, CO2 clouds.

研究の動機と目的

• 既存の機器の限界を克服し、近赤外分光データを用いて火星中層圏におけるCO2氷雲を検出するための新規手法を開発すること。
• OMEGAとCRISMの観測から得られるCO2雲分布の不一致を、高高度H2O氷雲を考慮することで解消すること。
• 過去に誤って対流的CO2雲と解釈された朝のOMEGAデータの再評価を行うこと。
• CRISMで検出されたCO2雲の空間的・季節的・微物理的特性（粒子径、光学濃度など）を特徴づけること。
• 特に80 kmに達する高高度で、CO2とH2O氷雲が共存しているかを調査すること（中層圏高度＞60 km）。

提案手法

• 火星探査衛星MRO搭載のCRISM機器から得た近赤外分光データを用い、CO2氷とH2O氷に特徴的なスペクトル特徴に注目した。
• H2OとCO2氷のスペクトル的性質を比較する手法を考案し、CRISMの波長範囲が限られているにもかかわらずCO2雲の同定を可能とした。
• CO2雲を含む54件のCRISM観測を分析し、スペクトルフィッティング手法を用いて粒子径（0.5–2 μm）と光学濃度（＜0.3）を推定した。
• 17件の新規OMEGA観測と照合し、雲の検出と分布パターンの整合性を検証した。
• 朝のOMEGA観測を再検討し、それらのスペクトル的特徴が誤って対流的CO2雲と分類された理由を評価した。
• CO2雲の空間的・季節的分布をマッピングし、先行研究で観測された高高度雲層と相関をとった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CRISMのスペクトル範囲が限られているにもかかわらず、CO2氷雲が中層圏で信頼性高く検出可能かどうか。
• RQ2 CRISMとOMEGAのCO2雲の空間的・季節的分布はどの程度一致するか。観測された不一致の原因は何か。
• RQ3 高高度H2O氷雲（80 kmに達する）がCO2雲と共存しているか。もしそうであれば、それらが過去の雲分布モデルの不一致を説明できるか。
• RQ4 なぜ過去の朝のOMEGA観測が、対流的CO2雲の証拠であると誤って解釈されたのか。この解釈は妥当か。
• RQ5 CRISMで観測されたCO2雲の形態的・微物理的特性は何か。特に、赤道付近の雲発生季節における特徴は何か。

主な発見

• 本研究では、粒子径が0.5–2 μm、光学濃度が0.3未塔であるCO2氷雲を含む54件のCRISM観測を成功裏に検出できた。
• CRISMによるCO2雲の分布はOMEGA観測と整合的であり、本手法の信頼性が裏付けられた。
• 80 kmに達する高高度H2O氷雲が同定され、過去のCO2雲分布モデルにおける不一致を説明する要因となった。
• 午後のCRISM観測におけるCO2雲は、地上の cirrus 雲に類似した形状を示し、以前の個別観測結果を赤道雲発生季全体に一般化した。
• 朝のOMEGA観測は、かつては対流的CO2雲の証拠であると解釈されていたが、再評価の結果、誤解であることが判明した。
• CO2とH2O氷雲が中層圏高度（＞60 km）で共存していることが確認され、火星上層大気における複雑な雲層構造が示された。