発表資料

紫外波長撮像観測データに基
づく
金星風速場の解析
中村研D2 神山徹
イントロダクション：金星大気
高度(km)
100
80
60
40
20
0
乾燥断熱温度勾配
0 100
300
500
700 温度(K)
金星大気に投下されたプローブが観測した
大気温度の高度分布[Seiff, 1983]
全球を覆う厚い硫酸の雲
高度 40 km - 70 km に渡って存在
CO2 を主成分とする厚い大気
→ 地表面での大気圧 90 atm
温室効果により
地表面では気温400度以上
金星大気スーパーローテーション
自転速度 : 1.4 m/s
地表面での太陽光加熱
コリオリ力
雲層での太陽光加熱
コリオリ力が弱い
地球と異なるシステムで維持されている大気循環
金星大気へ投下したプローブで観測した
東西風の高度分布[Schubert, 1983]
全球に渡るスーパーローテーション
気象システム
地球
時間スケール
秒
分
時
日
週
金星
月
年
偏西風
貿易風
傾圧不安定
(低気圧・高気圧)
台風
前線
10000km
空 1000km
間
ス 100km
ケ
ー
ル 10km
秒
時間スケール
分
時
1m
月
年
子午面循環?
熱潮汐波
赤道ケルビン波・ロスビー
波
?
積乱雲
竜巻
週
スーパー
ローテーション
1km
100m
日
大気の粘
性
乱流・渦
現象を知りたい → 雲の模様・風速
紫外波長を用いた撮像観測
2006 5/20 20:50
Venus Express / VMC
昼面太陽光反射光観測
365 nm
未知の吸収物質
(SOx ?)
はっきりとしたコントラスト
(10 % 以上の明るさ変化)
513 nm
935 nm
1010 nm
下層雲の濃淡を反映?
[高木ら @ 2009連合大会]
弱いコントラスト
(3 % 以下の明るさ変化)
特徴追跡を用いた風速分布の推定
直接観測
2006 5/20
：点の探査
相補的
宇宙空間からの撮像観測：面の探査
惑星規模の気象現象を捉えるのに適してい
る
Venus Express/VMC
雲の模様を追いかけることで
背景の大気の流れを推測が可能
東
100
Voyager 1979
西
-100
リム観測/雲の高度観測
雲の上にあるヘイズ層を観測
高度方向に大気の特徴的な
スケールを知ることができる
Venus Express/VMC
Galileo/SSI
雲頂の高度変化
鉛直流の向き
背景大気の温度変化
鉛直に大気を眺める
研究目的
撮像観測によって得られた雲画像か
ら
惑星規模の大きな金星大気循環を探
る
・雲の特徴追跡→風速分布
・リム観測
→ 上層大気の鉛直構造
熱潮汐波・赤道ケルビン波・ロス
ビー波
ケルビン波によるものと考え
られる風速分布
Galileo探査機の撮像画像から
求めた平均東西風速からの
変動成分分布
Galileo / Venus Express
N
N
Solid State Imaging system
(SSI)
250 km
昼面の太陽光反射光
S
Venus Monitoring Camera
(VMC)
可視赤外分光撮像器(VIRTIS)
下層大気からの熱放射
S
66,000 km
解析手法/解析結果



解析前処理
- 地理緯度の導出
- カメラ歪み補正の必要性 (未解決)
リム観測
- 雲の高さについて
雲の特徴追跡
- 原理
- 金星雲頂高度での風速分布
解析手法：地理座標の導出
軌道情報
姿勢情報
現在考察中
光学歪み補正
Limb フィッティング
Sub-pixel 単位でLimb 推定
1 pixel のズレ → 15 km ～ 100 km のズレ → 風速に与える誤差 4 m/s ～25
m/s
0.1 pixel のズレ → 誤差 < 3 m/s
フィッティングの様子
2006 5/20 16:36
Ri
Ri = 127.4 [pix]
2006 12/5 6:55
Ri = 1648 [pix]
リムフィッティング精度評価
太陽光入射角、衛星への出射天頂角を
考慮した模擬惑星画像
100倍の画素数でオーバーサンプリングした
後、画像を1/100に圧縮
計算値与えた値
Center X: 128.065 128.000
Y: 127.998 128.000
R: 100.174 100.227
0.1 pixel 以下の誤差
見かけの雲の高さとカメラ歪み
光学中心
Venus Express 25軌道 441画像
r
d
6170
θ
見
か
け
の
金
星
半
径
6150
[km]
6070
Height
線形 (Height)
6130
6110 予想される雲高度
y = -0.0009x + 6165.2
R2 = 0.8683
6090
金星半径 (6051.8 km)
6050
0
20000
40000
D2 [pix2]
(円弧の光学中心からの距離)2の平均
60000
80000
見かけの雲の高さとカメラ歪み
光学中心
Venus Express 25軌道 441画像
r
d
120
110
θ
Height
見 100
か
け 90
の
雲 80
の
高 70
さ 60
線形 (Height)
y = -0.0009x + 113.41
R2 = 0.8683
[km] 50
40
0
20000
40000
D2 [pix2]
(円弧の光学中心からの距離)2の平均
60000
80000
解析手法：地理座標の導出
軌道情報
姿勢情報
現在考察中
光学歪み補正
Limb フィッティング
Sub-pixel 単位でLimb 推定
1 pixel のズレ → 15 km - 100 km のズレ → 風速に与える誤差 4 m/s ～25
m/s
0.1 pixel のズレ → 誤差 < 3 m/s
リムでの見かけの雲の高さ
2006 12/5 6:55
散乱光の明るさ ≒ 雲粒の数に比例
高度が高くなるにつれて
exp(-x/H)で減少する
H : スケールハイト [km]
散乱光
反射光
(雲のスケールハイト) = 0.85 ×(大気のスケールハイ
Schofield andト)
Taylor, 1983 Taylor et al., 1983
リムでの見かけの雲の高さ
温度
観測値
カ規
ウ格
ン化
トし
値た
1/e
フィッティング
スケールハイ
ト
大気の平均
分子質量
基準ピクセルからの距離[pix]
平
均
カ
ウ
ン
ト
値
4軌道 (26 画像)
明るさ変化のスケールハイト = 4.2 ± 0.7 [km]
→ 大気のスケールハイト = 4.6 ± 0.8 [km]
リムからの距離[pix]
CO2 100%
静水圧平衡を仮定すると
227 ± 37 K
リムでの見かけの雲の高さ
高度(km)
カ規
100 ウ格
化
80 ン
トし
60 値た
40
20
0
平
均
カ
ウ
ン
ト
値
観測値
フィッティング
リム高度は70 km~80 km程度
300 500
0 100 基準ピクセルからの距離[pix]
700 温度(K)
4軌道 (26 画像)
明るさ変化のスケールハイト = 4.2 ± 0.7 [km]
→ 大気のスケールハイト = 4.6 ± 0.8 [km]
リムからの距離[pix]
CO2 100%
静水圧平衡を仮定すると
227 ± 37 K
雲の高さの緯度分布
1990 2/13 5:58 365 nm
X
座
標
[pix]
Y
Galileo / SSI
Rf
Ri
Ri -Rf [pix]
カウント値
雲の高さの緯度分布
1990 2/13 5:58 365 nm
X
高? 低高低高?
相
対
高
度
差
[km]
Y
Galileo / SSI
相対的に
・赤道域、40°-60°の雲は低い
・15°-40°の雲は高い
緯度 [deg]
雲の高さの緯度分布
VENERA 15
高? 低高低高?
8.2μm
75
70
65
60
55
27μm
-50
0
20
40
緯度 [deg]
60
80
Zasova et al. (2004)
見ている高度が異なる
紫外：ヘイズ層
赤外：雲頂
0
緯度 [deg]
50
紫外波長での結果と異なる
雲頂までの循環と
ヘイズ層での循環が異なる ?
雲の高さの緯度分布
1990 2/16 6:28
相
対
高
度
[km]
Galileo / SSI
2006 5/20 20:57
相
対
高
度
[km]
VenusExpress / VMC
緯度 [deg]
連続画像からの風ベクトル推定
相互相関を用いた特徴追跡
NASA/Galileo(SSI)
相関計算
金星雲画像への適用：問題意識
様々な制限
・装置・観測機会:
- 地球: 静止軌道+高い解像度(1 km/pix)
- 金星: 周回軌道+制限のある解像度(15 km/pix)
・(紫外)弱いコントラスト
Galileo : S/N ≒ 100
(雲の模様)/N < 5
(ノイズが目立つ →)
・雲の特性
明確な境界に乏しい
変形、生成、消滅のため一定の形を保たない
・比較できる予報データや、
ラジオゾンデなどの同時観測データが無い
NASA/Galileo(SSI)
より金星に適した工夫が必要
信頼できる誤差評価の必要
連続画像からの風ベクトル推定
Correlation based correlation method
[D.P.Hart. 2000]
50%重なりがあるTemplateから
求めた相関曲面を掛け合わせる
解釈：相関空間での平滑化
欠点：空間分解能が落ちる
(重ね合わせた領域の平均的な移動量が求ま
る)
誤差評価(Moissl 2008)
各点で求めた風
速
ある緯度帯の平均風速
用いる2枚の画像組の
撮影時間差
ΔT = 1 h
± 12 m/s
±0.4°のズレに相当
する風速範囲
連続画像からの風ベクトル推定
太陽天頂角 < 84°
衛星天頂角 < 71°
(解像度 ≒ 100 km/pix)
展開
時間差 ΔT = 1 [hour]
Template 12°x12° (60 x 60 pixel)
Template 6°x6° (30 x 30 pixel)
誤ベクトル修
正
各ベクトルの推定誤差
± 0.4° [Moissl 2008]
ΔT = 1 h
± 12 m/s
連続画像からの風ベクトル推定
2006 5/20
東西風速
5
5
緯
度
[deg]
3°
-70
17
Local Time [hour]
20
140 [m/s]
3x3、9つのbinで平滑化
7
-70
17
Local Time [hour]
20
7
140 [m/s]
空間分解能 1/9 → 10x10 deg
誤差 1/3 → ±4 m/s + 位置決定誤差
雲頂高度での平均風速
2006 5/16 – 2007 2/3 23軌道平均
東西風(西向き正)
2006/5月-6月、11月- 2007/1月、
7月-9月 (450 image pairs)
120
緯
度
[deg]
Local Time [hour]
120 [m/s]
40
低緯度、Local noonに極小
Local noonから離れるにつれ風速が増大
朝夕対称の風速分布?
17
8
12
40
Local Time [hour]
[Moissl, 2008]
熱潮汐波が作る風速に
特徴的な分布
雲頂高度での平均風速
2006 5/16 – 2007 2/3 23軌道平均
東西風(西向き正)
1990 2/13-2/17 Galileo探査機
0
緯
度
[deg]
-20
緯
度
[deg] -40
-60
Local Time [hour]
120 [m/s]
40
低緯度、Local noonに極小
Local noonから離れるにつれ風速が増大
朝夕対称の風速分布?
17
12
熱潮汐波が作る風速に
特徴的な分布
7
雲頂高度での平均風速
2006 5/16 – 2007 2/3 23軌道平均
南北風(北向き正)
2006/5月-6月、11月- 2007/1月、
7月-9月 (450 image pairs)
5
緯
度
[deg]
-20
Local Time [hour]
17
12
Local Time [hour]
-20
40 [m/s]
カメラ歪み、
位置あわせ誤差の影響?
8
赤道域の東西風速変動
30
1/25
1/26
1/27
1/28
1/29
1/30
1/31
2/1
2/3
2/2
2/4
平均風速
Local Time [hour]
-30
16
13
16
16
13
13
16
16
13
13
16
16
13
13
16
16
13
13
16
16
13
13
まとめ/今後






解析前処理：惑星中心導出を画像処理からサブピ
クセルレベルで行った
→Planet-Cでの昼面観測(IR1、UVI)へ応用可能
リムの解析方法を考案
東西風、南北風の平均風速を導出
VIRTIS、VMCの解析データを組み合わせることで複
数高度の風速場を導出する
雲追跡アルゴリズムの精度向上
大気波動の抽出
雲頂高度での平均風速
2006/5月-6月、11月- 2007/1月、7月-9月 (450 image pairs)
120
17
12
Local Time [hour]
8
5
40
-20
17
12
8
Local Time [hour]
[Moissl 2008]
雲頂高度での平均風速

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