[論文レビュー] Saturn Variable Thermosphere

D. F. Strobel, Tommi Koskinen+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2016

Astro and Planetary Science参考文献 104被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、15件の太陽食および26件の恒星食のカッシーニUVIS観測を分析し、変動する土星の熱圏の特徴を明らかにした。極域にかけて温度が上昇し、極域で550–600 Kに達するが、これは主にオーロラ加熱（約10 TW）に起因し、太陽のEUV/FUV入射よりも著しく大きい。推定される西向きの後退風（約500 m/s）および春分・秋分にピークを示す熱圏の拡張は、高緯度から低緯度へのエネルギーの効率的再分配を示している。

ABSTRACT

Our knowledge of Saturns neutral thermosphere is far superior to that of the other giant planets due to Cassini Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVIS) observations of 15 solar occultations and 26 stellar occultations analyzed to date. These measurements yield H2 as the dominant species with an upper limit on the H mole fraction of 5 %. Inferred temperatures near the lower boundary are ~ 150 K, rising to an asymptotic value of ~ 400K at equatorial latitudes and increasing with latitude to polar values in the range of 550-600 K. The latter is consistent with a total estimated auroral power input of ~ 10TW generating Joule and energetic particle heating of ~ 5-6TW that is more than an order of magnitude greater than solar EUV/FUV heating. This auroral heating would be sufficient to solve the energy crisis of Saturns thermospheric heating, if it can be efficiently redistributed to low latitudes. The inferred structure of the thermosphere yields poleward directed pressure gradients on equipotential surfaces consistent with auroral heating and poleward increasing temperatures. A gradient wind balance aloft with these pressure gradients implies westward, retrograde winds ~ 500 m/s or Mach number ~ 0.3 at mid-latitudes. The occultations reveal an expansion of the thermosphere peaking at or slightly after equinox, anti-correlated with solar activity, and apparently driven by lower thermospheric heating of unknown cause. The He mole fraction remains unconstrained as no Cassini UVIS He 58.4 nm airglow measurements have been published.

研究の動機と目的

• 地上観測による食データを用いて、土星の熱圏の熱的構造とエネルギー源を理解すること。
• 非太陽的エネルギー入射を定量的に評価することで、長年の「エネルギー危機」を解消すること。
• オーロラ加熱とその緯度分布が大気力学に果たす役割を調査すること。
• 熱圏の風のパターンとその大気循環への影響を特定すること。
• 熱圏の拡張と温度プロファイルにおける季節的および太陽活動周期の変化を検討すること。

提案手法

• 15件の太陽食および26件の恒星食のカッシーニ紫外線イメージング分光計（UVIS）観測を用い、温度および組成プロファイルを推定した。
• 食データからの温度プロファイルを分析し、熱圏構造を導出し、下部境界温度は約150 Kから、赤道で約400 K、極域で550–600 Kに上昇することを明らかにした。
• オーロラ加熱のパワーを約10 TWと推定し、ジュール加熱および高エネルギー粒子加熱が約5–6 TWを占め、太陽のEUV/FUV入射を10倍以上上回ることを示した。
• 等ポテンシャル面における勾配風平衡を適用し、中緯度で約500 m/sの西向き後退風を推定した。
• 季節および太陽活動を関数とする熱圏の拡張をモデル化し、太陽活動周期と逆相関し、春分・秋分にピークを示すことを明らかにした。
• H2およびHeのモル分率に対する制約を評価したが、58.4 nmのエアグルー光データの欠如により、Hは≤5%に制限され、Heは制約なしであった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 土星の熱圏加熱の主因となるエネルギー源は何か？また、太陽のEUV/FUV入射と比べてどうか？
• RQ2 熱圏の温度構造は緯度および季節によってどのように変化し、その拡張は何かによって駆動されるか？
• RQ3 土星の熱圏に推定される風のパターンは何か？また、圧力勾配およびエネルギー分配とどのように関係しているか？
• RQ4 オーロラ加熱は低緯度にどれほど再分配可能であり、熱圏エネルギー危機の解消に寄与できるか？
• RQ5 なぜ熱圏は春分・秋分に最も強く拡張し、太陽活動と逆相関するのか？

主な発見

• 熱圏温度は下部境界の約150 Kから、赤道緯度で約400 Kに上昇し、極域で550–600 Kに達する。
• オーロラ加熱は約10 TW寄与し、そのうち約5–6 TWがジュール加熱および高エネルギー粒子プロセスに起因し、太陽のEUV/FUV加熱を10倍以上上回る。
• 勾配風平衡から推定される西向き後退風は約500 m/s（マッハ数約0.3）であり、極に向かう圧力勾配と整合的である。
• 熱圏の拡張は春分・秋分にピークを示し、太陽活動と逆相関しており、未知の原因による低層熱圏加熱を示唆している。
• Hのモル分率は≤5%に制限されるが、58.4 nmのエアグルー光測定が公表されていないため、Heのモル分率は制約なしである。
• 観測された極に向かう温度上昇および圧力勾配は、オーロラ加熱が熱圏力学の主因であると整合的である。