海の波。画像クレジット:Silas Baisch/Unsplash 地球上の穏やかな風は、湖にしわをほとんど寄せません。しかし、土星最大の衛星であるタイタンでは、同じ突風が 2 階建ての建物ほどの高さの波を起こす可能性があります。
この奇妙な不一致が、単純だが驚くほど難しい質問を投げかける新しい研究の焦点である。それは、なぜ地球を離れると波はこれほど異なる振る舞いをするのか?
何十年もの間、科学者たちは、ほとんどすべてが異なる世界 (重力、気圧、温度、さらには液体そのもの) で波がどのように形成されるかを予測しようと試みてきました。波は水を動かすだけではないので、これは重要です。彼らは海岸線を再形成し、堆積物を運び、流体を混合します。時間が経つにつれて、それらは世界全体の気候と景観の歴史に関する手がかりを残すことができます。
エイリアンの波は地球のルールに従っていない
これまで、地球を越える波を予測するほとんどの試みは、単一の要因、通常は重力に焦点を当てていました。それが大きな制限となっていました。
波は、惑星が下に引っ張られる強さだけに依存するわけではありません。また、液体の密度、粘度、表面の乱れやすさなどによっても異なります。また、風がどれだけ効果的にエネルギーを下の液体に伝達できるかなど、上空の大気にも依存します。
以前のモデルでは、これらすべての要素を 1 つのフレームワークに組み合わせるのに苦労していました。そのため、異質な湖がガラスのように滑らかなままなのか、それともそびえ立つ波となって立ち上がるのかを予測するのは困難でした。
そこで研究者たちは、PlanetWaves と呼ばれる新しいモデルを構築しました。これは、重力、大気条件、密度、粘度、表面張力などの液体の特性を考慮します。
「この論文のために開発されたスペクトル波モデル、PlanetWaves は、適用された風気候に応じて液体表面高度の 4 次元スペクトルを生成します。この物理ベースのモデルは、どの惑星にも適用できます。」と研究著者は述べています。
簡単に言えば、研究チームは、完全に静止した異質な湖に風が初めて触れたときに何が起こるかを知りたかったのです。最初の一服はどれくらいの強さが必要ですか?さざ波が波になるのはいつですか?そして、その波はどれくらい大きくなるでしょうか?
地球の湖から宇宙の海まで
モデルをテストするために、研究者たちはまずモデルを家に持ち帰りました。彼らは、PlanetWaves をスペリオル湖での 20 年間のブイ測定と比較し、地球上の実際の波の高さと風の閾値を再現できるかどうかを確認しました。
それから彼らはそれを見知らぬ領域に押し込みました。
タイタンでは、湖は水のように振る舞わない液体のメタンとエタンでできています。これに、低重力、低大気圧、軽い液体の組み合わせが加わり、波の形成は驚くほど簡単になります。このモデルは、穏やかな風でも高さ約 10 フィート (約 3 メートル) の波を生成し、ゆっくりと進みながらも劇的に上昇する可能性があることを示しています。
研究チームはまた、火星、特にジェゼロ・クレーターのような場所を過去に振り返った。火星が数十億年かけて大気を失うと、表面圧力が低下した。このモデルは、これが起こったとき、同じ波を生成するにはますます強い風が必要であったことを示唆しており、古代の火星の湖がどのように振る舞っていたかについての手がかりを提供しています。
太陽系を越えると、その違いはさらに極端になります。たとえば、LHS 1140 b (地球に似た氷の系外惑星) では、より強い重力によって波の成長が抑制され、これは地球に似た風がより小さな波を生成することを意味します。ケプラー 1649b では、濃い硫酸湖が動きに抵抗するため、強風でも波紋を作るのが困難です。
かに座 55 度 e では、海が溶けた岩石でできている可能性があり、時速約 130 マイルのハリケーン級の風でも、波の高さは数センチメートルにすぎません。厚く、重く、粘性のある溶岩は、水のように動くことを拒否します。
「地球上では、私たちは特定の波の力学に慣れています。しかし、このモデルを使用すると、液体、大気、重力が異なる惑星で波がどのように振る舞うかを見ることができます。これは、私たちの直観に挑戦する可能性があります」と、研究著者の一人であり、ウッズホール海洋研究所 (WHOI) の科学者であるアンドリュー・アシュトンは述べました。
エイリアンの波が私たちに教えてくれること
この PlanetaryWaves モデルは、エキゾチックな波を説明するだけではありません。それは惑星表面を研究するための新しい道を開きます。たとえば、タイタンには川と海岸線がありますが、地球上でよく見られるデルタ地帯は驚くほど少ないです。 このモデルは、その理由を説明するのに役立つ可能性があります。
そこで波の動きが異なる場合、予想外の方法で風景を再形成する可能性があります。このモデルは、そのような謎を説明するのに役立つ可能性があります。
実用的な価値もあります。タイタンの湖に探査機を着陸させることを目指す将来のミッションでは、探査機がどのような波に耐えなければならないかを知る必要がある。穏やかな地球の湖をデザインすることは別のことです。動きは遅いがそびえ立つエイリアンの波を想定したデザインもまた別です。
しかし、現在のモデルは依然として、私たちが直接観測していない状況、特に遠方の系外惑星や、さらには波の活動がまだはっきりと確認されていないタイタンなどの状況に関する仮定に依存しています。
したがって、次のステップは、これらの予測を、おそらく将来のミッションや改善された観測から得られた実際の測定値と比較することです。
この研究は雑誌JGR Planetsに掲載されています。 .
