[論文レビュー] Seasonal Variability of the Daytime and Nighttime Atmospheric Turbulence Experienced by InSight on Mars

Audrey Chatain, Aymeric Spiga+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Planetary Science and Exploration参考文献 39被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、NASAのInSightのマーズ着陸船から得られた1.25マーズ年間にわたる高周波圧力データを用い、赤道付近の着陸地点における北半球の秋・冬に、日中の渦や強い夜間乱流が著しく増加することを明らかにした。これは、ダストの蓄積によって低層大気の安定性が低下し、低層風が強化されることに起因する。非局所的乱流とは異なり、局所的乱流は、時間や季節を問わず風速に強く敏感であり、このダストが豊富な時期には、夜間のせん断駆動乱流が日中の強度に達する。

ABSTRACT

International audience

研究の動機と目的

• マーズのInSight着陸地点における大気乱流の季節的・日周的変動を調査すること。
• 通常は安定な状態により抑制される夜間乱流が、北半球の秋・冬に日中の乱流と同等の強度にまで高まる理由を特定すること。
• 風速と安定性への反応として、局所的乱流（0.01–2 Hz）と非局所的乱流（0.002–0.01 Hz）の挙動を区別すること。
• ダストが豊富な秋・冬期に、日中の渦の急増と夜間の渦の出現を説明すること。

提案手法

• InSightの気圧センサーから得られた高周波圧力データ（2–10 Hz）を用い、渦（圧力低下 >0.35 Pa）を検出するとともに、周波数帯域ごとの乱流を分析した。
• 2 Hzのカットオフ周波数を持つローパスフィルタを適用し、これより高い周波数の機械的・電気的ノイズを除去した。
• 時間スケールと信号の形状に基づき、渦、局所的乱流（0.01–2 Hz）、非局所的乱流（0.002–0.01 Hz）に乱流を分離した。
• 大気安定性とせん断効果を評価するために、マーズ気象データベースの5 m大気データを用いてリチャードソン数（Ri）を計算した。
• 太陽の黄経（Ls）と組み合わせ、InSightの地表温度、ダスト透明度、風速データを統合し、季節的期間を定義した。
• 837ソルにわたる統計的分析を行い、特にLs 210°–320°（北半球の秋・冬）の期間に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風や温度に明確な環境的要因がないにもかかわらず、なぜInSight着陸船は北半球の秋・冬に日中の渦の著しい増加を経験するのか？
• RQ2 通常は安定性が高い夜間境界層であるにもかかわらず、なぜダストが豊富な秋・冬期に夜間の渦と強い局所的乱流が出現するのか？
• RQ3 風速勾配と大気安定性がどのように作用し、特にRi < 0.25の状態で、なぜ夜間にせん断駆動乱流が発生するのか？
• RQ4 なぜ局所的乱流は、すべての季節と時間帯において、非局所的乱流よりも環境風速に強く敏感なのか？
• RQ5 ダストの蓄積が、なぜ夜間境界層を変化させ、日中の乱流レベルに匹敵する乱流を可能にするのか？

主な発見

• InSightの赤道付近の着陸地点における秋・冬期（Ls 210°–320°）では、他の季節と比較して、夜間の環境風速が2〜3倍に増加しており、これは低層ジェットの強化に起因する。
• この時期に、強い風速勾配と大気安定性の低下が重なり、夜間の局所的乱流強度が日中の乱流と同等のレベルに達する。
• この時期の夜間を通じて、リチャードソン数（Ri）は臨界値0.25未満を維持しており、持続的なせん断駆動乱流が可能である。
• かつてはまれだった夜間の渦が、このダストが豊富な秋・冬期に顕著な頻度で出現しており、活発な大気混合を示している。
• この時期に日中の渦活動が著しく増加するが、風速や温度に類似の変化がないため、対応する要因は説明できない。これは、対流に寄与するダスト輸送のフィードバックの可能性を示唆する。
• 非局所的乱流（例：対流セル由来）は、局所的乱流と比べて風速にあまり敏感ではなく、局所的乱流は、すべての時間帯と季節において風速に強く影響を受ける。