1. Propagation on waves and wave-wave interaction
Coordinated ground-based measurements and modeling of the Venus atmosphere (28-29 June 2010, Paris observatory)
Propagation on waves and wave-wave interaction
in the Venus upper atmosphere
Naoya Hoshino1, H. Fujiwara1, M. Takagi2,
Y. Kasaba1, Y. Takahashi3
Tohoku Univ., 2. Univ. of Tokyo,
3. Hokkaido Univ. 1

2. Structure of Venus atmosphere
1. Introduction
金星大気構造
Structure of Venus atmosphere
thermosphere
Temperature
Day: ~300 K
Night: ~100 K
-> SS-AS conv.
mesosphere
Wind field is unknown
troposhpere
cloud
Superrotation　
(~100m/s)
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
Fig. 　金星大気構造

3. 1. Introduction 金星大気構造 金星大気構造 熱圏 中間圏 雲層 対流圏 1) Fast mean zonal flow
(35 m/s [Lellouch et al., 1994])
～132 m/s[Shah et al., 1991])
Waves
中間圏
2) Temporal variations
対流圏 雲層
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
Fig. NO airglow (115 km) 　　　　
[Bougher et al., 1994]
Fig. 　金星大気構造

4. 1. Introduction Previous studies
Vertical momentum transport associated with the gravity waves generates fast mean zonal flow of ~60 m/s in the thermosphere. (However, we are quite uncertain how much momentum is transported by the gravity waves from below.)
Previous studies
Gravity waves
Thermal tides
(117 days)
Rossby waves
(5 days)
Kelvin waves
(4 days)
位相速度 (m/s) 50
100 波長
100 km
金星一周
The gravity waves have been taken into account.
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
Fig. 金星熱圏風速場のシミュレーション結果　 [Zhang et al., 1996]

5. 1. Introduction Subjects
・Taking into account planetary waves (Kelvin wave, Rossby wave, and thermal tides), their vertical propagation and effects on atmospheric circulation in the mesosphere and thermosphere in the Venus atmosphere.
Which wave is predominant?
What kind of waves are generated by wave-wave interaction?
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km

6. 2. Model Airglow model GCM GCM N step Temperature Velocity (u, v, w)
　　　 　　　 　　　　　　　　　　
GCM
N step
Temperature
Velocity (u, v, w)
Number density
(O, CO, CO2)
Eddy viscosity
Molecular diffusion
EUV heating
NIR heating
CO2-15um cooling
GCM
Primiive equations km
10°(lat)×5°(lon)×0.5 SH
Airglow model
O, CO2
N+1 step
Temp.
Velocity (u, v, w)
Number dens.
(O, CO, CO2)
Horizontal distribution of airglow is diagnosed.
Fig. GCMと大気光モデルとの関係

7. 2. Model Excitation of wave
Waves are excited by geopotential forcing given at the bottom (80 km).
Excited waves
Amplitude:
Velocity of wave horizontal winds is 10 m/s (Rossow et al., 1990)
Fig: Geopotential forcing
Phase velocity:
Thermal tide: 3 m/s　(117 day)
Rossby wave: - 85 m/s　(5 day)
Kelvin wave: -115 m/s　(4 day)
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
Example of the geopotential forcing (Kelvin wave)

8. 3. Result Predominant wave
Waves excited at 80 km propagates to ~130 km.
Maximam velocity of horizontal wind associated with wave is ~9 m/s at ~95 km.
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
Zonal wind associated with the wave on the equator.
Fig.2. Relation between our GCM and nightglow model

9. 3. Result
propagating westward
～110 m/s(4.0 day)
propagating eastward
～3.7 m/s (120 day)
Generated by interaction between Kelvin wave and EUV heating.
Kelvin wave
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
Kelvin wave is predominant in the mesosphere.
Time variation of zonal wind deviation on the equator at ~95 km.

10. 3. Result Fourier analysis
A wave whose period is ~2.4 day is detected.
->This wave may be generated by the interaction between the Kelvin (~4 days) and Rossby (~5 days) waves.
Kelvin wave (forced)
Black: 95 km
Red: 120 km
Kelvin wave
Period: 4 days
Wavenumber: 1
Rossby wave
Period: 5 days
Wave1
Period: 2.2 days
Wavenumber: 2
Wave 2
Period: 20 days
Wavenumber: 0
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
Rossby wave (forced)

11. Time variation of airglow distribution
3. Nightglow model
　　　 　　　 　　　　　　　　　　
Time variation of airglow distribution
1.2日
4.5日
9.0日 90
緯度(deg)
-90
With waves 12 06 00 18 12
Without waves
Local Time (hour)
Fig 大気光発光位置の時間変動
Airglow distribution varies temporally with a period of ~ days.
Zonal shift is 00:00LT – 00:40LT.

12. 4. Summary
Numerical experiments in which the planetary waves (Kelvin wave, Rossby wave, and thermal tides) imply that
the Kelvin wave is predominant in the Venus mesosphere.
the Kelvin wave propagate upward to ~120 km.
the amplitude of the Kelvin wave is modulated by the EUV heating (period is ~120 Earth days).
Nonlinear interaction between the Kelvin and Rossby waves may produce a wave whose period is ~2.4 days.
the airglow distribution temporally varies (~3-4 days period); the zonal shift due to the waves is 00:00LT-00:40LT.

13. Concluding remarks
Any kind of observation is useful for the mesospheric and thermospheric modeling because the models are rather conceptual at present.
I like to know…
Time variation of mean zonal flow, SS-AS circulation, and other components (if any). First of all, we must to know details of what to be modeled.
Quantitative information of the waves at the cloud level (spatial structure, phase speed, amplitude), which is fundamental to the wave-drag parameterization.
Simultaneous observations of the airglow and horizontal wind distributions seem quite informative for the modeling.
Vertical temperature profiles with wide localtime coverage are also useful to examine the thermal tides.

14. 5. Future work 今後 ・重力波効果の考慮 → Medvedev et al. [2000] のパラメタリゼーション
Fig.　東西風の赤道面分布
Fig.　経度方向に平均した東西風の分布

15. 3. Result その他の波 約2.4日周期 にピーク ->ケルビン波(4日周期)と ロスビー波(5日周期)との 相互作用?
　　ロスビー波(5日周期)との
　　相互作用?
130km
110km
ケルビン波
周期: 4日
波数: 1
ロスビー波
周期: 5日
端数: 1
Wave1
周期: 2.2 日
波数: 2
Wave 2
周期: 20 日
波数: 0
95 km
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
ロスビー波
Fig. 10. 　各高度で値を規格化した東西風時間
　　　　　　変動のパワースペクトル

16. 3. Result 卓越する波 大気波動は約120 km まで伝搬 波による風速擾乱の最大値9m/s (@約95 km)
金星の放射の時定数は？
@100 km [min]
@180 km 4.9E-6 [s]
風速観測の詳細は？
IRAM (Institut of Radio Astronomie Millimetrique) 30 m　電波望遠鏡(スペイン)
12CO(1-0)line GHz GHz
12CO(2-1)line GHz GHz
13CO(2-1)line GHz
金星視直径　58” 　視野　11”
内合直前　
追尾精度　3”
積分時間　2分
風速モデル
東西風: (1)緯度によらず速度一定[Mariner 10 UV image], (2)剛体運動[Pioneer Venus photometer], (3)角運動量一定[Mariner 10 photopolarimeter]
昼夜間対流： V=Vter×[1-(90-SZA)/90]
南北風　45°で最大、赤道 0m/s: 緯度依存性　(1)sin (2)0-φ：線形増加、φ-(90-φ)：一定、(90-φ)-90：線形減少 φ=15°
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)φ=30°　(4)φ=45°
誤差？
RZW: ±20 m/s
SS-AS:　±　20 m/s
1σで計算
高度の決定方法は？
Weighting functionを計算。（温度の情報は不明）
12CO(2-1): 105 km
12CO(1-0): 94.5 km
Fig. 東西風擾乱の赤道面分布(正が東向き風、負が西向き風)
Fig.2. Relation between our GCM and nightglow model

17. 3. Result 大気光の水平面分布(波なし)
12h 　　　 h 　 　　 h 　　 h 　　　 12h
Local Time
　　 2 　　 　　 　　 　 90
-90
Latitude (deg)
Fig 大気光水平面分布
・最大発光強度約 9 MR → 先行研究に比べ (2-3倍大きい) ・反太陽直下点で発光量最大

18. 3. Result
　　 　　
波動-波動相互作用 波1 波2
波動-波動により生じる
新たな波