ダストストームに関する 素朴な疑問

内山茂男

今年は15年ぶりの火星大接近の年です。ところが、大接近前に火星全体に広がる大規模なダストストームが発生してしまいました。 このために、火星の模様がほとんど見えなくなってしまいます。これほど大規模なものは珍しいそうですが、やっぱり模様が見えないのはつまらないことです。 大接近の火星を見るために望遠鏡を庭に出そうかな?と思うことはあるのですが、庭には“蚊”が多いのでそれがいやです。 そんなときに“模様があまり見えない”となると望遠鏡を出す気持ちが盛り上がりません。結局、南会津に行ったときに見ただけになってしまいました。 でも、肉眼ではずっと見ていました。

ところで、どうして火星では全球に及ぶような大規模なダストストームが起きるのでしょうか? そんな疑問が生じました。


風の発生するメカニズム

図1
図1. 熱対流

まず、どうして風が発生するのかを、地球のケースで確認しましょう。
風の主な原因は「温度差による対流」です。太陽光などで暖められると、空気が周囲より軽くなって上昇します。 冷たい空気は周囲より重いので下降します。すると、図1のように空気がグルグルまわる動きをします。地上付近では、冷たい方から暖かい方に風が吹くことになります。 しかし、これだけだと強い風にはなりません。


地球は自転しているので

表1. 転向力の性質
  • 北半球では、進行方向の直角右向きに働く。
  • 南半では、逆向きに働く。
  • 高緯度ほど強い(赤道では働かない)。
  • 速度の大きさに比例する。

地球は自転しているので、転向力という力が働きます。転向力がどうして働くのか?という説明はここでは省略しますが、転向力には表1のような性質があります。 この転向力のために、北半球では、高気圧の周囲では時計回り、低気圧の周囲では反時計回りに風が吹きます。この様子を力学的に説明しましょう。


図2
図2. 空気塊の力学的な動き

図2の水色の“〇”が動きに注目する空気塊、赤矢印が気圧傾度力p (圧力の高い空気が押す力)、緑矢印が転向力T です。 最初、高気圧の近くで止まっていた空気塊が、気圧傾度力を受けて動き出します。動き出すと転向力(緑矢印)が働いて、進行方向が右に曲がります。 やがて、気圧傾度力p と転向力T がつりあうようになると、空気塊は慣性でそのまま進み続けます。 このように、最終的には等圧線と平行に風が吹くようになります。 この等圧線と平行に吹く風を“地衡風(ちこうふう)”と呼びます。上空では実際にこのような風が吹いています。


図3
図3. 地表付近の空気塊に働く力

気象情報を見ていると、風は等圧線と平行ではなく、少し斜めに高気圧側から吹き出すように風が吹きます。地上付近では図3のように、 気圧傾度力p 、 転向力T 以外に “摩擦力f ”が進行方向後ろ向きに働いているからです。 転向力T と 摩擦力f の合力(薄い緑矢印)が 気圧傾度力p とつりあう状態となるからです。
摩擦力は、木や建物などの起伏があると大きくなりますから、それらのほとんどない海上では地衡風に近い風が吹きます。等圧線の間隔が狭い時には、 気圧傾度力p が大きくなります。 すると、それとつりあう転向力T が必要です。 転向力は“速度の大きさに比例”する性質がありますから、風が強くなります(力がつりあうまで速くなっていきます)


図4

風が強くなるためには“高気圧や低気圧が発達する”ことが必要です。低気圧が発達するのは、「暖かく軽い空気が上昇するが、周囲からの空気の補充が少ない」ときです。 この“空気の補充が少ない”というところで転向力が重要な作用をしています。高気圧から低気圧に向かって空気が移動しようとしても、 ある程度上空では地衡風となり、全く低圧側に流れ込みません。地上近くでちょっと低圧側に流れ込むだけです(図4)。 その間に上昇気流が十分継続していれば、どんどん低気圧が発達するのです。高気圧の発達も同様です。こうして低気圧や高気圧が発達するのです。 (ここでは、話を簡単にしています。現実には上空の風などが複雑に作用します。)
上昇気流を発達させる原因の1つとして「気化熱の放出」があります。水蒸気をたっぷり含んだ空気が上昇すると、雲を発生させます。 雲は、水蒸気が多数の水滴になったもの。この水蒸気が水滴になるときに気化熱を出します。すると周囲の空気より暖かくなり、上昇気流が発達し、低気圧が発達するのです。 上昇した分、その空気はどこかで下降します。これが高気圧となります。

ここまでのポイント確認

(1)気圧傾度力と転向力・摩擦力がつりあう状態で風が吹くようになる
→ 地上では等圧線に対して斜めに、上空では等圧線に平行に風が吹く。
(2)空気は高気圧の周囲や低気圧の周囲で渦を作り、高気圧から空気はあまり流れ出さず、低気圧にもあまり流れ込まない。 この結果、高気圧と低気圧が発達する。
(3)雲の発生が低気圧を発達させる。
(4)高気圧と低気圧が発達して、等圧線の間隔が狭くなると風が強くなる。

火星で強風が吹く理由

火星で全球規模のダストストームが生じるということは、全球規模で強い風が吹くということです。火星表面の大気圧は平均750Pa(7.5hPa)と地球の1/100以下です。 これは、地球の高度35km付近と同じくらいです。こんなに薄い大気で砂を巻き上げるのですから、かなり速い風が吹いているのでしょう。 どうして、火星では速い風が吹くのでしょう? 私のわかる範囲で原因を推測してみました。 (これは、専門家ではない個人の推測です)

(1) 植物がない

地球には樹木をはじめとする植物が生えています。これは、風に対して大きな抵抗になります。逆に火星では、地表付近でも抵抗が少ないことになります。 すると、すでに説明したように、風が地衡風に近く吹きますので、低気圧・高気圧が消滅しにくく、強い風が吹きやすくなりそうです。

(2) 極冠がある

火星の大気の主成分(95%)はCO2です。火星は気温が低いため、両極ではドライアイスになりますが、季節によってこのドライアイスが気体に戻ります。 すると、そこで大気の量が増えますから、この大気が極地方から流れ出ようとします。しかし、極付近は転向力が強いので、 なかなか大気は南北方向への移動ができず、結果的に東西方向の強い風が生じそうです。
地球でも「大気の大循環」として、温帯地域の偏西風や亜熱帯地域の貿易風というものが吹きます。しかし、火星では気体が発生したり(気化)、 消えたり(固化)するのですから、地球の温度差原因の大循環より風が強くなりそうです。

ということで、「植物がないこと」と「極冠でのCO2の気化・固化」が、火星の全球規模での強風を作りそうな気がします。


火星全球規模になることの疑問

でも、やっぱり「全球規模」になるのは不思議です。それは、自転によって生じる転向力に関することです。

地球の自転周期は23時間56分、火星の自転周期は24時間37分ですから、転向力の作用もほぼ同じです。自転による転向力は、回転角度が重要ですので、 火星の大きさが小さいことは関係ありません。転向力は「赤道では働かない」のです。火星の強風が、極冠のドライアイスの形成や昇華による気圧差で生じるのだとすると、 簡単に大気が低圧側に流れて、強風にならないはずです。また、転向力は「北半球と南半球で逆向きに働く」のですから、地衡風の向きも赤道を挟んで逆向きになり、 その間である赤道付近ではやっぱり強風にならないと思います。 地球でも赤道付近(緯度10°以内)では台風が発生しませんし、他の原因でも強風は吹きません。

でも、実際に火星では全球規模のダストストームが発生しています。火星の赤道付近では、どうなっているのでしょうか?



この文章は、私の所属する“さいたま☆天文同好会”の会報「まがたま」104号 (2018年 9月発行;特集「火星」)に掲載したものを、一部書き直したものです。


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