[論文レビュー] Variations of the Martian Thermospheric Gravity Wave Activity during the Recent Solar Minimum as Observed by MAVEN

Erdal Yiğit, Alexander S. Medvedev+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 84被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、MAVENのNGIMS機器による直接観測を用いて、最近の太陽活動最小期における火星の熱層における重力波（GW）活動の包括的な気候学的特徴を提示する。波の活動は約170 kmの高度でピークに達し、密度の低下に伴う波の増幅と分子拡散のバランスによって、夜間の振幅が日中の値を上回ることが判明した。これは、上層熱層における対流不安定性が波の振幅を制限する役割を果たすという従来の考えに挑戦するものである。

ABSTRACT

Atmospheric gravity (buoyancy) waves (GWs) are of great importance for the energy and momentum budget of all planetary atmospheres. Propagating upward waves carry energy and momentum from the lower atmosphere to thermospheric altitudes and re-distribute them there. On Mars, GWs dominate the variability of the thermosphere and ionosphere. We provide a comprehensive climatology of Martian thermospheric GW activity at solar minimum (end of Solar Cycle 24) inferred from measurements by Neutral Gas and Ions Mass Spectrometer on board Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (NGIMS/MAVEN). The results are compared and interpreted using a one-dimensional spectral nonlinear GW model. Monthly mean GW activity varies strongly as a function of altitude (150-230 km) between 6-25%, reaching a maximum at $\sim$170 km. GW activity systematically exhibits a local time variability with nighttime values exceeding those during daytime, in accordance with previous studies. The analysis suggests that the day-night difference is primarily caused by a competition between dissipation due to molecular diffusion and wave growth due to decreasing background density. Thus, convective instability mechanism is likely to play a less important role in limiting GW amplitudes in the upper thermosphere, which explains their local time behavior.

研究の動機と目的

• 太陽活動最小期における火星の熱層における重力波（GW）活動の空間的・時間的変動を特徴づけること。
• 特に夜間の振幅増大を引き起こす要因となる、GW振幅の局所時間依存性の背後にある駆動要因を理解すること。
• 1次元非線形スペクトルGWモデルを用いてGW活動を解釈し、波の増幅と減衰の相対的寄与度を評価すること。
• GWの気候学的挙動を高度、局所時間、および緯度にわたり定量的に評価し、火星上層大気の動力学に関するベンチマークを提供すること。

提案手法

• 2014年から2020年の太陽活動最小期に、MAVENのNGIMS機器が測定した150–230 kmの高度範囲における直接観測による中性粒子密度測定を分析した。
• 月次、日次、軌道スケールで相対的密度変動（ρ′/ρ̄）を計算し、GW活動の代理指標とした。
• データを高度、局所時間、緯度でビン別にし、統計的不確実性を標準誤差解析を用いて評価することで、GW活動の気候学的特徴を構築した。
• 分子粘性と非線形拡散による減衰を含む、上向き波の伝播を模擬する1次元非線形スペクトルGWモデルを適用した。
• 波の増幅と減衰の競合が、GW振幅の日・夜差を生じさせるとする仮説を検証するために、モデルを用いた検証を実施した。
• 特に高度依存性と局所時間依存性を考慮した観測されたGW活動パターンと照合することで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 火星の太陽活動最小期における熱層重力波活動は、どの程度高度に依存するか？
• RQ2 なぜ火星の熱層では夜間の重力波振幅が日中に比べて大きいのか？
• RQ3 上層熱層における波の振幅変化を支配するのは、減衰か波の増幅か、どちらの物理的メカニズムが主導的か？
• RQ4 下層大気と上層大気におけるGW活動の緯度分布はどのように比較されるか？また、これは波のフィルタリングに何を示唆するか？
• RQ5 対流不安定性は、熱層におけるGW振幅を制限する主要因となり得るか？また、観測された日・夜の非対称性を説明する要因として、それが顕著な要因であると考えられるか？

主な発見

• 月平均の重力波活動は、6%から25%の範囲で高度に強く依存し、約170 kmでピークに達する。
• 夜間の重力波振幅は日中の値を上回り、特に太陽天頂角が大きい場合に最大値を示す。
• GW活動における日・夜差は、背景密度の低下に伴う波の増幅と、分子拡散による減衰の競合に起因し、上層熱層では波の増幅が支配的である。
• 重力波活動は中高緯度で最も強く、低緯度の下層大気における最大値とは対照的である。これは、背景風による波のフィルタリングが顕著であることを示唆している。
• 対流不安定性機構は、上層熱層における波の振幅制限の主因とは考えにくく、観測された局所時間依存性は、増幅と減衰のバランスによってより適切に説明できる。
• 気候学的GW活動推定値の統計的不確実性は低く、すべてのプロファイルで相対誤差が1%を上回らない。