木星の雲と大赤斑のしくみ

木星の雲と大赤斑のしくみ

木星の雲と大赤斑のしくみは、地面のない惑星の大気の流れから生まれます。写真に見えるクリーム色、黄褐色、茶色の帯も、白い楕円も、地球より広い赤い嵐も、すべて雲です。この展示は、その上空 30,000 km、大赤斑を見下ろす位置から始まります。隣には同じ縮尺の地球があります。雲頂へ降り、最速の風に乗り、夜の雷や北極を囲む低気圧を見た後、1995 年の Galileo 探査機の経路に沿って、通信が途絶えた深さまで雲の中を降りられます。

展示の高度の基準は「1-bar 面」です。気圧が地球の海面の平均気圧と等しくなる高さで、地表がない木星では海面の代わりに使います。見える雲頂は少し上にあり、この模型では約 10 km です。高度が負なら、基準面より下の雲の中です。

主な場所は、大赤斑、24° N のジェット気流、北極、47° N の雷雲帯、Galileo 探査機の突入地点、赤道の夕空の六つです。雲に近づくと、架空の足場に身長 1.7 m の人が現れ、自分の大きさと比べられます。隅の縮尺は、見えている距離を人が頭と足をつないで横たわった人数に換算します。隠された発見は 23、意外な事実のカードは 14、課題は 13 あります。数値表示、カード、この解説の数字は、末尾の NASA、研究所、論文の資料に基づきます。

大赤斑はどのくらい大きいのですか

大赤斑は赤道の約 22° 南にある高気圧性の嵐です。数日で反時計回りに一周します。大きさは一世紀以上測られており、その変化は明確です。

地球の直径は 12,742 km です。1800 年代後半には嵐の長さに沿って地球を三つ並べても余裕がありました。今では一つでほぼ覆えます。年のスライダーは、1800 年代後半から 2024 年までの測定値に応じて嵐を描き直します。「大きさ」の図では同じ表を地球一つ、二つ、三つの幅と比べます。

南北の幅も縮んでいますが、長さより緩やかです。150 年以上の測定を調べた 2018 年の研究では、長軸は経度で年に約 0.194 度、幅は緯度で約 0.048 度縮んでいました。長さしか記録がない年の幅は、この比率から推定しており、カードにも明記しています。2023 年 12 月から 2024 年 3 月までの Hubble の八回の観測では、赤い楕円の平均は約 13,600 × 9,900 km でした。

縮み続ける嵐

2014 年、Hubble が当時最小の約 16,500 km の大赤斑を撮影し、NASA は縮小を広く紹介しました。アマチュア天文家は 2012 年に、縮小が年に約 930 km へ加速し、楕円が円に近づいていると気づいていました。

縮む理由は未解決です。流れ込む小さな渦がエネルギーや運動量の供給を変えるという説や、周囲のジェット気流が徐々に押し縮めるという説があります。決着はついておらず、展示でも断定しません。

最新の Hubble 観測は別の変化も示しました。2023 年 12 月から 2024 年 3 月までの 90 日間、大赤斑はゼリーのように周期的に大きさと形を変え、経度方向の移動も同じ 90 日周期で速くなったり遅くなったりしました。移動の振動は以前から知られていましたが、大きさの変化は新発見でした。研究チームは、両側のジェットの間に収まるまで縮み、その後、より丸く安定した形になる可能性を考えています。

縮小する一方、風は強まりました。2009 年から 2020 年の Hubble の風の地図では、外縁のすぐ内側にある高速の環状部が最大 8 パーセント加速し、平均で 640 km/h (400 mph) を超えました。中心はずっとゆっくり回ります。中心を低く飛ぶと、隠された発見の一つである静かな核が見つかります。

Cassini が見た嵐と同じですか

多くの本は、大赤斑が 1600 年代から観測されていると説明します。1665 年、Giovanni Domenico Cassini はほぼ同じ緯度に暗い楕円を見つけ、後に「永久斑」と呼ばれました。1713 年まで追跡されましたが、その後は一世紀以上記録が途絶えます。

2024 年の研究は、古い図と測定を再検討しました。大きさと移動を比較すると、永久斑はおそらく消滅し、今の大赤斑が初めて見つかったのは 1831 年と結論しました。形成過程の計算でも、小さな嵐の合体より、南北の逆向きのジェットの間にある長く浅い遅い循環の方が合いました。正しければ、若い大赤斑はゆっくり回り、縮むにつれて風が強まったことになります。古い嵐ではありますが、教科書ほど古くない可能性をカードで紹介します。

広いのに薄い

地球より広い大赤斑は、どのくらい深いのでしょうか。2021 年に発表された Juno の二つの実験が、別々の方法で調べました。

マイクロ波放射計は、電波の周波数ごとに異なる深さを見ます。嵐の根は水やアンモニアの凝結が予想される層より深く、雲頂だけの模様ではなく深い大気につながっていました。一方、真上を二回通過したときの重力実験は、嵐の余分な質量が探査機を引く微小な力を測りました。その結果、大赤斑は大気上部 500 km 以内に収まると分かりました。

長さ 13,600 km は最大の深さ 500 km の約 27 倍です。直径 27 cm、厚さ 1 cm のピザと同じ比率です。木星の半径は 71,492 km なので、最も深い嵐でも中心までの距離の 1 パーセント未満です。

なぜ赤いのですか

確かな答えはありません。色は、強い日光を受ける主雲層の上のもやにあります。実験では、木星上層のアンモニアとアセチレンに紫外線を当てると、大赤斑に近い赤い物質ができました。有力候補ですが、確定ではありません。年によって淡いサーモン色から濃いれんが色まで変わります。2014 年以降、Hubble は青い光で暗く、近赤外線で明るくなる変化を測っており、高いもやの変化を示します。展示の色は模型で、カードに研究を示しています。

見つけられる小さな嵐

大赤斑は数多い嵐の最大のものです。年を変えると、周囲の嵐の歴史に合わせて地図も変わります。

Oval BA は大赤斑の南、約 33° S にあります。何十年も周回していた三つの白い楕円が、1998 年から 2000 年に合体し、2006 年までに赤くなりました。赤斑の形成が観測された初めての例です。Hubble が撮影し、「Red Spot Jr.」と呼ばれました。幅は大赤斑の約半分です。その後白っぽくなり、再び暗くなりました。2000 年より前なら三つの白斑、2005 年より後なら赤い斑点が見えます。

さらに南の 40° S には、白い高気圧性の嵐が「真珠の首飾り」のように並びます。Juno は 2017 年に八つを撮影しました。赤道の北、暗い北赤道縞のすぐ上には長寿命の White Spot Z があり、2019 年の Juno の 21 回目の最接近で撮影されました。

新しい嵐もあります。2020 年 5 月 31 日、南アフリカのアマチュア天文家 Clyde Foster が、数時間前にはなかった明るい噴出雲を南温帯縞で見つけました。二日後に Juno が撮影し、「Clyde's Spot」と呼ばれました。展示には 2020 年以降に現れます。24° N のジェットの隣でも数年ごとに明るい雲が噴出し、ジェット区域でその一つを発見できます。

1994 年の彗星衝突痕

1994 年 7 月、彗星 Shoemaker-Levy 9 の二十個以上の破片が、木星の南半球に次々と衝突しました。暗褐色の跡は、小さな望遠鏡でも地球から数か月見えました。破片 G の跡は直径 2,500 km の暗い中心を、直径 7,500 km の薄暗い輪が囲みました。多くの国より大きく、地球よりは小さい規模です。年を 1994 年にして大赤斑の南を見ると、並んだ跡が見つかります。位置は模型ですが、大きさは NASA の破片 G の画像に基づきます。

縞、帯、ジェット気流

遠くから木星を見ると縞模様が見えます。明るい縞は帯、暗い縞は縞と呼ばれます。帯は普通、より高く冷たいアンモニア氷の雲で、暗い縞では深い茶色の層が見えます。間を流れる細いジェットは東や西へ吹き、何十年も緯度を保ちます。Cassini、Voyager、Hubble は雲の模様を画像間で追って測りました。

雲頂で最強の東向きジェットは約 24° N にあります。2008 年から 2016 年の Hubble の測定では最大 144 から 160 m/s、約 520 から 580 km/h です。数年ごとに隣で明るい雲が噴出すると減速し、2016 年 10 月の噴出後には約 160 から 144 m/s へ下がりました。地球のカテゴリー 5 のハリケーンは 70 m/s (157 mph) からです。木星の普通のジェットはその二倍以上で、止まりません。

赤道にも違いがあります。見える雲の高さでは約 250 km/h ですが、2023 年に James Webb Space Telescope は、その 25 から 50 km 上の下部成層圏で、約 515 km/h の細いジェットを発見しました。下の雲の二倍です。

「風の線」は東向きをオレンジ、西向きを青の動く筋で示します。小さな図は緯度ごとの風と現在地の赤い点を示します。表示される分布は Hubble が測った主な極大を滑らかにつないだ模型で、その旨を数値欄に示します。

風はどこまで深く続きますか

1995 年に Galileo 探査機が降下したとき、電波周波数の微小な変化から横向きの風速が分かりました。雲頂より下で風は強まり、4 bar で約 170 m/s に達し、観測が終わる約 21 bar まで続きました。天候は薄い表皮だけではありませんでした。

Juno はその後、ジェットによる重力場の変形を測りました。2018 年の結果では、ジェットは約 3,000 km 下まで続きます。その深さでは水素が電気を通し始め、流れは惑星と一緒に回るよう引きずられます。大赤斑の 500 km の六倍です。この二つをカードで紹介します。

ジェットに乗る

24° N のジェットの上で「風に乗る」を有効にすると、雲と一緒に東へ動きます。150 m/s なら一時間で 540 km、1,000 km は二時間弱です。時間送りは雲と移動を 1 から 30,000 倍に速めるので、待つ必要はありません。1,000 km 乗る課題もあります。

木星の多くの模様は、その緯度のジェットとともに移動するため、地図は一時点のものです。Oval BA、白い楕円、雷雲塔の位置は模型で、カードには実際の観測緯度と日付を示します。

極の嵐

2016 年 7 月に Juno が着くまで、木星の極を真上から見た探査機はありませんでした。北極では中央の低気圧を八つが囲み、それぞれ直径 4,000 から 4,600 km で、渦の腕が触れるほど密集していました。南極では中央を五つが囲み、直径は 5,600 から 7,000 km です。一つで大きな国を覆い、風は約 350 km/h に達します。

移動、合体、消滅すると予想されていたのに、配置は何年も保たれています。2019 年 11 月には、Texas ほどの小さめの第六の低気圧が南の輪に入り、五角形が六角形になりました。その後は五つに戻りました。2019 年または 2020 年にすると、第六の低気圧を発見できます。

極の区域は、Juno の JIRAM が約 5 ミクロンで見る赤外線像です。厚い雲は暗く、薄い雲は深部の熱を通して光ります。輝度温度は高く冷たい雲で約 190 K (−83 °C)、深く見通せる場所で約 260 K (−13 °C) でした。どこでも「赤外線 (5 µm)」で切り替えられます。

雷、浅い雷、マッシュボール

Voyager 1 は 1979 年に夜側で雷を見ました。電波の性質は長く謎でしたが、Juno の放射計が地球と同種の 600 MHz の信号を捉えました。最初の八周で 377 回の閃光を記録し、多くは極、特に北にあり、赤道付近にはありませんでした。地球では日光が地面を温める熱帯に多いため逆です。木星の嵐は内部の熱で動き、その熱は極付近で上がりやすいと考えられます。

Juno は別種の雷も発見しました。水の雲の約 25 km 上、−88 °C より冷たい高所で小さな閃光が生じます。普通なら液体の水は存在できませんが、アンモニアが不凍液のように働き、上昇した氷を水とアンモニアの液滴にします。液滴と氷の衝突で電荷がたまり、地球にはない雲の「浅い雷」になります。

同じ嵐は特殊なひょうも作るようです。「マッシュボール」は水とアンモニアの半凍結の球を氷の殻が覆い、嵐の中で上下して成長し、深部へ落ちてアンモニアを運びます。上層のアンモニアが予想より少ない理由になりそうです。展示では雷雲塔の下に落ちる粒として示し、その下へ降りると見つかります。

さらに上空では、Juno の紫外線分光器が、数千分の一秒しか続かない明るい閃光を 11 回、1-bar 面の約 260 km 上で捉えました。地球でも強い雷が引き起こすスプライトやエルブスに似ています。窒素の多い地球では赤く、水素の多い木星では青やピンクに見えるはずです。夜の雷雲区域の上に、ときどき現れます。

雷雲区域そのものは模型です。47° N に高い塔があり、夜や夕暮れに光ります。実際の木星の雷雲は幅数千キロメートルになり、主雲層より高く伸びますが、展示の寸法は観測値ではなく、見やすさのために選んでいます。

降下して Galileo の測定をたどる

1995 年 12 月 7 日、五か月前に母船から離れた探査機は 6.5° N、4.4° W で、47.6 km/s で大気に突入しました。前方の衝撃波は太陽表面より明るく光りました。約二分後、熱防護で減速してパラシュートを開き、ゆっくり降下しました。NASA の記録では通信終了まで 58 分間の有効なデータを送りました。直径は 1.27 m、打ち上げ時の質量は 339 kg でした。

大気構造観測装置は降下中ずっと気温と気圧を測りました。1-bar 面の上空約 160 km より下では、表示は模型でなく NASA の Planetary Data System に保存された実測値を読みます。記録の一部は次のとおりです。

最も冷たいのは上部の約 0.2 bar、約 110 K (−163 °C) です。その下は 1 km 降りるごとに約 2 °C 暖まり、熱を出し入れせず圧縮される気体の変化に近くなります。基準面の 54 km 下、5 bar で氷点を超えます。最後は 132 km 下の 22 bar、428 K、155 °C でした。「内部」の降下再現ボタンは、隣のパラシュートに探査機を吊り、一秒で一分、実際の六十倍で降下を再現します。

三つの雲層と探査機が見逃した雲

気体の凝結温度に基づく標準模型は、三つの主な雲層を予測します。上層は約 0.5 から 0.7 bar のアンモニア氷で、地球から白く見える雲です。中層は約 1.5 から 2.2 bar の硫化水素アンモニウムで、アンモニアと硫化水素からなり黄褐色や茶色です。最深部は約 5 から 7 bar の水で、上は氷、下は液滴となり、大きな雷雲を生みます。探査機の気圧と高度の記録からは、水の層は基準面の 54 から 69 km 下に相当します。

「雲の下」で降下すると、この模型に基づく三層を通り、それぞれで短く白一色になります。表示欄には現在の層名が出ます。

ただし探査機自身はこの整然とした積層を見ませんでした。散乱光測定器は約 0.46 から 0.55 bar に薄いアンモニア雲の下端、0.76 から 1.34 bar に硫化水素アンモニウムと考えられる控えめな層を見ただけで、厚い水の雲はありませんでした。質量分析計の水も予想を大きく下回りました。地上観測によれば、突入地点は北赤道縞の南縁から約 900 km 内側にある 5 ミクロンのホットスポットでした。木星で最も晴れて乾いた場所の一つです。したがって結果はホットスポットを詳しく示しますが、惑星全体を代表しません。「乾いた場所」のカードで説明します。

Juno は雲の下をどう見ますか

カメラに見えるのは雲頂だけです。Juno は、長い波長ほど深部から届くマイクロ波を六つの周波数で測り、雲頂から数百キロメートル下まで調べます。2017 年に発表された初期観測では、アンモニアは均一ではなく、赤道には豊富な気体が上昇し、多くの場所では雲より深くまで少なくなっていました。失われたアンモニアの行方を説明する中で、マッシュボールや浅い雷の考えが生まれました。

地球への電波は探査機の微小な速度変化も測り、ジェットの深さ、大赤斑の浅い底、希薄な核を明らかにしました。磁力計は赤道付近に強く孤立した磁場を発見し、「大青斑」と呼ばれました。深い風がこれをゆっくり東西へ引きます。雲の写真には見えず、展示でもカードだけで紹介します。

地面はありません

下降を続けても、データが終わる 1-bar 面の 132 km 下で止まります。中心までの約 0.2 パーセントにすぎません。その下に固体の地面はなく、気体は熱く濃くなり、数千キロメートル下で水素が圧縮され、金属のように電気を通します。重力の測定に最も合うのは、中心に小さな岩の球があるのでなく、重い元素が内部の広い範囲に混ざった「希薄な核」です。層の深さは直接測定ではなく模型に基づき、「内部」ではその注意とともに半径に沿った縮尺で描きます。

立つ場所がなく着陸できない惑星であることは、多くの人が最初に見つける意外な事実です。

大気の成分

Galileo は気体を直接採取しました。ヘリウム実験では粒子数で 13.6 パーセントがヘリウムで、残りのほぼ全部は水素でした。質量分析計はメタン、アンモニア、硫化水素、水を測り、一部の希ガスが予想より多いと分かりました。雲を作るアンモニア、硫化水素アンモニウム、水は、気体の 1 パーセントをはるかに下回ります。

木星は自ら熱を出します

木星は地球の五倍太陽から遠く、日射は地球の一平方メートルあたり 1,361 W に対して約 50 W です。それでも日射だけから予想するより暖かくなっています。2018 年発表の Cassini の測定では、日射の約半分を反射し、内部から一平方メートルあたり約 7.5 W の熱を出します。全体で、吸収する太陽エネルギーの約 2.2 倍を放射します。形成時の残熱と緩やかな収縮の熱が嵐を動かし、雷が高緯度に集まる一因です。赤外線では熱が逃げる場所を見られます。

オーロラと Io の足跡

木星のオーロラは太陽系で最も明るく、地球と同様、荷電粒子が磁場に沿って磁極の上層大気に流れ込むことで生じます。Hubble の紫外線像では地球の千倍以上明るく見えます。大部分は目に見えない紫外線と赤外線なので、展示の光の幕は疑似色です。Juno の赤外線カメラは主な楕円と、Io、Europa、Ganymede につながる電流が大気に届く「足跡」を地図化しました。Io の尾は、磁気的なつながりが移った後も約三時間残ります。

展示では雲の数百キロメートル上、極から数度離れた楕円に、模型の高度で描きます。「オーロラ」を有効にして夜の北極を飛ぶと、Io の足跡が見つかります。

雲頂から見た空

赤道の夕空には四つの大きな衛星が、正しい見かけの大きさで現れます。直径 3,643 km、中心から 421,800 km の Io は雲頂で 0.60° に見え、地球から見る月の 0.52° より少し大きくなります。太陽系最大の Ganymede は直径 5,262 km ですが、中心から 1,070,400 km も離れ、Europa と同じ約 0.30° にしか見えません。最も外側の Callisto は 0.15° です。「空で最大」の課題の答えは、この違いで決まります。

小衛星もあります。長さ約 250 km の赤いジャガイモ形の Amalthea は、中心からわずか 181,400 km にあり、小さな赤点です。主環は中心から 123,000 から 128,940 km に広がり、その内側に淡いハロー、外側に薄い環があります。赤道では環の面が頭上を通るため、天頂を横切る細く淡い線になります。

太陽は小さく暗く、見かけの直径は地球の五分の一の約 0.10°、光は約 1/27 です。一日は 9 時間 55 分なので日没もすぐ来ます。「時計を進める」は一分で木星の一日を進めます。地球は青白い点で、軌道が木星より小さいため太陽から 11° 以上離れません。日没直後や日の出前の薄明にだけ見えます。

Io が太陽と木星の間を通ると、ほぼ Io の幅の黒い影が雲を横切ります。影の中では、Io が太陽の約六倍の幅に見えるため皆既日食になります。解説の最後は上空 60,000 km からそれを見ます。

木星でのあなた

木星の質量は地球の 318 倍ですが、体重が 318 倍になるわけではありません。雲頂は中心からの距離も地球の 11 倍で、重力は距離の二乗で弱まるからです。NASA によれば 1-bar 面の重力加速度は、回転による外向きの効果がある赤道で 23.12 m/s²、極で 27.01 m/s²、地球では 9.82 m/s² です。地球で 60 kg を示す体重計は、赤道で約 141 kg、極で約 165 kg を示します。

「あなた」は体重、身長、現在の緯度から計算します。誕生日を入れると木星年での年齢、一年が地球の 11.86 年であることに基づく次の誕生日、これまでの木星の日数が分かります。その年の大赤斑の長さを、横たわった自分の人数にも換算します。入力はブラウザーの外へ送られません。

Juno

NASA の Juno は 2016 年 7 月 4 日に木星へ着き、極を通る細長い軌道を回ってきました。最接近では雲の約 4,200 km 上を高速で通り、再び遠くへ離れます。三枚の太陽電池パネルは本体から約 20 m 伸びます。放射計、重力実験、JIRAM、紫外線分光器、JunoCam の成果をこの展示でも使っています。展示では二分ごとにジェット区域の上空約 4,200 km を横切るので、上昇して動く光を探せます。

模型の方法と実際の木星との違い

惑星は観察者の周囲に描かれます。木星の曲率に合う格子は近くほど細かく、地平線ほど粗くなり、真下の点を追います。惑星を下で回すため、観察者は常に場面の中心です。上空 150,000 km の全体像から数キロメートル先の雲の起伏まで同じ画面で示せます。色は、縞、ジェット、選んだ年の大赤斑、白斑、ホットスポット、極の低気圧を描いた地図から作ります。近くには細部を加え、その場所の時刻の太陽で照らします。

単純化した部分や展示のために作った部分は、数値欄やカードに示します。

• 風速分布は測定されたジェットの極大をつないだ滑らかな模型で、全緯度の実測ではありません。
• 雲の色、高度、個々の起伏は模型です。下層の雲の高度は標準凝結模型、気圧と気温は Galileo の実測です。
• 移動する Oval BA、真珠の首飾り、White Spot Z、Clyde's Spot、ホットスポット、雷雲塔の位置は模型です。緯度と観測日は実際の値です。
• 木星は半径 71,492 km の球ですが、実際は扁平で極半径は 66,854 km です。
• オーロラは模型の高度に疑似色で描きます。
• 雲頂から見た空は撮影されたことがなく、頭上の青と地平線のベージュのもやは推定です。
• 人と足場は大きさの比較専用です。酸素が少なく放射線が強い木星では、上の寒さも下の熱も致命的で、人はどこでも生存できません。