タイタンの風、27日で3分の1も速くなる

土星最大の衛星タイタンは、表面で1.45気圧の厚い大気をもつ。約98%が窒素、2%がメタンで、さらにニトリルや炭化水素による化学の世界が広がっている。自転はゆっくりで、地球の15.9日に1回だ。それなのに大気はスーパーローテーションしている。風が、固体の本体の自転よりはるかに速く衛星全体をめぐっているのだ。

この風は最初は間接的に推定され、その後、カッシーニ・ホイヘンス計画のドップラー測定によって高度150km以下で確かめられた。風は昼と夜のあいだで化学物質を混ぜ、冬の極渦に分子を閉じ込めるのを助け、タイタンの有機物の砂丘を形づくっていると考えられている。しかし赤道付近で測るのは難しい。カッシーニの温度マップにもとづく方法が、そこでは通用しなくなるのだ。

2016〜2017年の驚き

チリにあるALMA(アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計)による以前の観測は、予想外のことを見つけていた。2016年8月から2017年5月までのあいだに、高度約1,000kmの赤道の風が、秒速373mから196mへと**47%**も落ちたのだ。上端が高度約500kmで止まっているタイタンの気候モデルは、こうした変動を再現しない。

NASAゴダード宇宙飛行センターのマーティン・コーディナー(Martin Cordiner)と、イェール大学、ブリストル大学、カリフォルニア工科大学、宇宙望遠鏡科学研究所などの共同研究者は、大気のより低い層を、より長い期間にわたって観測しようとした。

分子のなかに風を読む

チームはタイタンの大気にある分子アセトニトリル(CH₃CN)を、2022年6月から2023年5月までの新たな5回にわたって観測し、2016年と2017年のアーカイブの2回分を解析し直した。衛星の一方の縁では気体がこちらに近づき、もう一方では遠ざかる。その電波の線の周波数のわずかなずれ、つまりドップラー効果から風速がわかる。

測定の感度が最も高いのは高度250km付近で、範囲は200〜490km、上部成層圏と下部中間圏にあたる。7回の観測日は、南半球の晩秋から晩冬まで、タイタンのほぼ1季節分をカバーしている。

速く、気まぐれ

• 最も速い風は、つねに赤道から約10度以内にあり、2016年8月には最大秒速240 ± 26mに達した。
• 2016年から2022年6月まで、低緯度の風は着実に46%遅くなり、秒速130mになった。
• その後は秒速約130〜170mのあいだで揺れ動き、秒速約40mの跳躍があった。
• 2023年4月12日から5月9日までのわずか27地球日、タイタンの2日にも満たないあいだに、風は秒速120mから159mへと33%増えた。同じ数週間、高緯度の風は安定していた。

著者らは、これをタイタンの赤道の風が約1か月以内の時間スケールで大きく変化し続けていることの初めての検出だとしている。

2022〜2023年には、風の分布に二つの山も見られた。赤道付近の帯と、南緯40〜60度のあいだの第二の帯だ。後者は、モデルが予測し、カッシーニが見ていた冬のジェット気流である。

モデルが見逃すもの

最先端の二つの大循環モデル、TitanWRFとTAMは、季節によるゆっくりした傾向、つまり長い減少と、それに続くより穏やかな増加を再現する。高緯度では、モデルの風速は観測値と約30%以内で一致する。

しかしモデルは最も速い風を冬の高緯度、南緯40〜50度付近に置き、赤道の風は最大で2倍も遅すぎる。その差は至点の前後で最も大きい。どちらのモデルも、少なくとも10年平均では、1か月スケールの急な跳躍をとらえていない。メタンの雲と雨を含むのはTAMだけなのに、両モデルの結果は似ている。このことは、これらの高度では湿潤過程がほとんど効かないことを示唆している。

ゆっくり回る空の波

著者らは、急な変化は大気の不安定性から来ると考えている。シミュレーションでは、ロスビー・ケルビン不安定と呼ばれる波が角運動量を赤道へ運び、スーパーローテーションを駆動する。それが一時的に弱まれば、急な減速を説明できるかもしれない。至点の前後では、データは角運動量が高い高度から低い高度へと下向きに移動していることもうかがわせる。

モデル研究者への彼らの提言はこうだ。タイタンのモデルの上端を約500kmから約1,000kmに引き上げ、鉛直方向の格子を細かくし、ALMAでの観測を続けること。ゆっくり回る衛星の上で大きく変動する赤道ジェットは、太陽系内外のほかのスーパーローテーション大気にとって試金石になると、彼らは指摘している。