雨が鉄に、湖がメタンに、惑星に奇妙な風景が出現

火星に砂嵐が発生したり、木星に雷が落ちたり、他の惑星で気象現象が発生したりしたらどうなるでしょうか?

イラスト: 異星惑星 WASP-76b のアーティストによるイメージ。画像クレジット: フレデリック・ピーターズ

この記事はもともとThe Conversation誌に掲載されたものです。この記事は、The Conversation 誌が Space.com の Expert Voices: Op-Ed & Insights に提供したものです。

オスカー・ワイルドが「天気についての会話は想像力のない人間の最後の砦である」というフレーズを生み出したとき、彼は地球外の惑星や衛星のより極端な天候のいくつかについては知らなかった。

1992年に最初の太陽系外惑星が発見されて以来、地球以外の恒星を周回する惑星が4,000個以上発見されています。

太陽系外惑星の研究には、主にそこに生命が存在する可能性があるかどうかという疑問を解明するために、太陽系外惑星の大気の組成を判定する試みが含まれます。天文学者たちは生命の探索の中で、生命が存在する可能性のある惑星を多数発見した。

ここでは、太陽系外惑星の大気がいかに変化に富むかを示すために、他の天体の奇妙な天候の例を 4 つ紹介します。

WASP-76b の鉄の雨

天文学者たちは、巨大で高温の太陽系外惑星WASP-76を発見した。 WASP-76の表面温度は木星の約2倍で、華氏4,000度（摂氏2,200度）に達する。これは、地球上で固体である鉄などの多くの物質がWASP-76b上で溶けて蒸発することを意味します。

惑星の昼側、つまり恒星に面した側では、この鉄はガスに変化します。これは、ある特に有名な研究で説明されています。大気中を上昇し、夜側へ流れていきます。

この気体鉄は、温度が低い惑星の夜側に到達すると、液体に凝縮して表面に向かって落下します。これは、WASP-76 の温度変化が夜間に実際に鉄の雨を降らせるほどである、これまでのところ唯一の例です。

図: 夜間のWASP-76bの概念図。この超高温の巨大な太陽系外惑星の昼側は、温度が華氏 4,350 度 (摂氏 2,400 度) を超え、金属を蒸発させるほどの高温になります。強い風が鉄蒸気を涼しい夜側に運び、そこで鉄の液滴に凝縮します。画像の左側は太陽系外惑星の夕方の端で、昼から夜への移行が起こる場所です。画像クレジット: ESO/M.コーンメッサー

タイタンのメタン湖

タイタンは惑星ではなく、土星の最大の衛星です。惑星を周回する衛星としては珍しく、かなり大きな大気を持っているので非常に興味深いです。

タイタンの表面には地球と同じように液体の川が流れています。しかし、地球とは異なり、この液体は水ではなく、さまざまな炭化水素の混合物です。地球では、これらの化学物質（エタンとメタン）を燃料として使用しますが、タイタンでは、これらの化学物質が液体のまま残り、湖を形成するほど低温です。

氷火山は、これらの炭化水素をガスとして大気中に散発的に放出し、雲を形成し、それが雨として凝縮すると考えられています。しかし、この降水量は地球上のにわか雨とは異なります。なぜなら、降水量はわずか 0.1% 程度であり、雨滴はより大きくなり (約 1 cm)、重力の低下と抗力の増加により 5 倍の速度で落下するからです。

図: タイタンのメタン湖。画像提供: NASA/JPL-Caltech

火星の風

火星の気象システムは地球とはまったく異なります。主な理由は、火星が非常に乾燥していて大気が薄いためです。火星の大気は目に見える磁場がないため、太陽の磁場の影響を受けやすく、上層部が剥ぎ取られてしまいます。これにより、主に二酸化炭素からなる薄い大気が残りました。

NASA のヘリコプター「インジェニュイティ」が火星で初めて動力飛行をしたのは驚くべきことだった。探査という要素だけでなく、薄い大気の中でローターが生み出す揚力は地球表面の約 2% と非常に小さいからだ。この薄い大気に対抗するのが、1分間に約2,500回転する2組の大きなブレードだ。これはドローンのローターの速度とほぼ同じだが、旅客用ヘリコプターよりははるかに速い。

火星の大気は薄いですが、穏やかではありません。平均時速 30 km (20 mph) の風は表面の物質を移動させるのに十分であり、バイキング着陸船による初期の観測では、最大時速 110 km (70 mph) の風が測定されました。

火星は、表面の景色を覆い隠し、数週間続くこともある大規模な砂嵐で知られています。そのため、高速の砂嵐の可能性は惑星の探査にとって大きな問題となるが、大気が非常に薄いため、大気中の圧力はごくわずかである。たとえば、映画『オデッセイ』でロケットが吹き飛ばされるシーンは実際には起こりません。

図: 砂嵐前 (左) と砂嵐中 (右) の火星。画像クレジット: NASA/JPL-Caltech/MSSS、CC BY

木星の雷

1979年、ボイジャー1号は木星を通過し、木星への落雷を目撃した。 2016年、ジュノー探査機は木星の雷雨を詳細に調査した。

地球上では、ほとんどの雷は赤道付近に集中しています。しかし、木星では大気が安定しているため、対流と乱流のほとんどは極付近で発生し、雷の主な発生場所もそこです。木星では、雷は地球のようには発生せず、むしろ過冷却水滴が氷と衝突し、アンモニアの雪玉に電荷が蓄積されることによって発生します。このアンモニアは水の不凍液として働き、高高度でも水を液体のままに保ちます。

木星には、スプライトやエルフと呼ばれるあまり知られていない種類の雷もあります。ゴーストは、雲から上層大気に上昇して一瞬赤い輝きを生み出す雷によって形成されますが、スプライトは、雷が大気の電気的に帯電した部分（電離層）に当たったときに形成されるリングです。これらは 1921 年に予測されていましたが、主に嵐の雲に遮られたため、1989 年まで地球から撮影されませんでした。

図: 木星の大気圏で幽霊がどのように見えるか。画像提供: NASA/JPL-Caltech/SwRI

著者: イアン・ウィテカー

FY: 秋白

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