火星大気中の水循環をモデル化。水（氷、水蒸気）はどのように循環しているのか？

・科学者たちが、火星の年間水循環の一貫した正確な数値モデルを構築した。
・火星の水循環に影響するすべての細かいパラメーターを含んでいる。
・また、小さな氷の結晶によって形成される雲の大気分布と密度を測定した。

 

火星の水は50年以上前に検知されました。その後、エクソマーズ、マリナー9号、マーズ・エクスプレスなど、いくつかの宇宙ミッションによって調査が行われ、これらのミッションはいずれも火星の大気を調査し、重要なデータを収集しました。

 

現在、火星の水はほとんどすべて氷の形で存在しており、ごく一部は大気中に水蒸気の形で存在しています。大気の水をすべて集めて火星の表面に均等に置いたとすると、その層の厚さはわずか0.02ミリメートルしかないことになります。

 

大気中の水は、その存在量が少ないにもかかわらず、火星の気候に大きな影響を与えています。雲を散乱させ、入射赤外線を再放射させる役割を果たし、大気中の塵はエアロゾル粒子に凝縮した氷によって取り除かれます。

 

火星における水の挙動を理解するためには、氷粒子と水蒸気が季節的な極冠【きょっかん：火星の南北両極にある白色部分】の間をどのように移動し、再分布するかを研究することが非常に重要です。過去10年以上にわたって、科学者たちは火星上の大規模な浮遊塵によって形成される水凝結核に注目してきました。

 

このたび、モスクワ物理技術研究所の科学者たちが、火星の年間水循環の一貫した正確な数値モデルを開発しました。今回、彼らは火星の水循環に影響を与える、空気塊の3次元運動、水の相転移、赤外線と太陽放射の伝達、火星の雲の微物理学など、あらゆる細かいパラメーターを考慮しています。

 

粒度分布

計算やモデリングの結果は、ほとんどがエアロゾルの粒度分布【粒子の大きさを横軸、頻度を縦軸としたヒストグラム】に基づいています。2014年に行われた研究によると、粒度分布には2つのピーク（バイモーダル【二峰性】）があり、季節によって異なる可能性があります。

 

出典：研究チーム

 

上記のグラフは、エアロゾル粒子の二峰性分布の確率密度関数を表しています。半径0.025マイクロメートル近い粒子は、半径0.4マイクロメートルの粒子よりもピークが多いことを示します。

 

塵の二峰性は、特定の季節にのみ確実に見られました。したがって、火星の一年を通して二峰性があるというこれらの仮定は、測定によって検証されるべきです。今回行われたシミュレーションは、水循環の感度と二峰性の顕著な改善を示しています。

 

水の相転移の理論モデル

研究チームは、この二峰性の粒度分布を利用して、火星の水循環モデルを開発した。また、マックス・プランク研究所で構築された信頼性の高い火星大気の3Dシミュレーションの助けを借りて、水の相転移を示す理論モデルを開発することができました。

 

夏の火星表面の水蒸気密度分布
矢印は平均水平風速を示す

 

夏の北極では水の濃度が高いことがわかりました。冬が近づくにつれ、空気中の水蒸気粒子密度は減少します。この時期、火星の水は凝縮し、降水として地上に落ちます。

 

さらに、研究チームは同じ手法で、小さな氷の結晶が作る雲の大気分布と密度を測定しました。そして、水蒸気の密度が北極で最も高くなる夏の間、氷のほとんどが赤道上にあることを発見しました。

 

結論

二峰性粒子径のシミュレーションでは、氷雲の質量、個数密度、不透明度、粒子半径に大きく影響し、観測値に近づくことが示されました。小エアロゾル粒子の過剰による水蒸気分布への影響はかなり弱いことを示します。

 

火星大気中で核生成された粒子の数は、氷の質量の増加に寄与し、氷粒子の濃度を増加させ、半径を減少させます。これにより、雲の不透明度のシミュレーションが向上します。

 

全体として、これらの結果は、火星大気中の水の氷をモデル化するための、微小粒子をピークとする塵サイズの分布の重要性を強調しています。すべての場所と季節を通して、これらの分布は完全な二峰性ではなく、より複雑な形をしています。

 

また、火星の大循環モード (MGCM) シミュレーションや、塵の輸送を一貫して説明できるその他の測定により、これがさらに改善され、塵のサイズ分布の様式が明らかになります。