火星の地球規模の砂嵐を予測できるか？

毎年、火星の表面には砂嵐が吹き荒れます。まれに、こうした砂嵐が惑星全体を覆うほど大きくなることもあります。

これは将来の宇宙飛行士を危険な立場に置く可能性がある。火星の砂嵐は、映画『オデッセイ』でマーク・ワトニーと彼の乗組員たちを襲った砂嵐ほど激しくはないかもしれないが、何カ月も猛威を振るい、太陽を覆い隠し、太陽電池パネルを砂塵の層で覆う可能性がある。

現時点では、惑星規模の砂嵐がいつ発生するかを確実に予測する方法はない。しかし、科学者たちは火星の砂嵐の季節にパターンがあることを観察している。昨年の予測によると、この赤い惑星は今後数か月以内に地球規模の砂嵐に見舞われる可能性が高い。この予測が正しく、今シーズンに惑星規模の砂嵐が発生すれば、将来の砂嵐の予測が容易になる可能性がある。

いたるところに埃、埃

地球規模の砂嵐は、火星が太陽に最も近づくときに最も起こりやすい。大気中の砂塵が急速に移動して太陽光を吸収し、熱せられるためだ。「熱せられるほど、循環が速まる」と、NASAジェット推進研究所の惑星科学者で論文の著者でもあるジェームズ・シャーリー氏は言う。本格的な砂嵐は、砂塵を大気圏上空37マイルまで吹き飛ばす可能性がある。

こうした嵐を予測するのは困難です。なぜなら、私たちはまだ嵐についてよくわかっていないからです。「火星に降り注ぐ太陽光は、地球と同じように毎年ほぼ同じなので、嵐は絶対に起きない、あるいはいつも起きるはずだと考えるでしょう」とシャーリーは言います。「では、なぜ嵐が何年に起きて、他の年に起きないのでしょうか？」

宇宙船が火星に近づくときに惑星サイズの嵐が起こった場合、表面への着陸の試みを妨げる可能性があります。「大気が加熱されると、まるで風船のように膨らみます」とシャーリーは言います。これは、宇宙船が予想よりも早く大気との摩擦を感じ始める可能性があることを意味します。「これにより、突入時の降下と着陸の計画が完全に台無しになる可能性があります。」

地球規模の砂嵐の風は地球のハリケーンの風ほど強くない。大気ははるかに薄く、嵐の風速は時速60マイル、多くても70マイルを超えることはない。火星の大気は薄いため、「これまで計測した最高速度でも、地球上で運転していると時速10マイル程度にしか感じない」とNASAジョンソン宇宙センターの航空宇宙エンジニア、スティーブ・ホフマン氏は言う。「宇宙飛行士がひっくり返ったり、打ち上げロケットがひっくり返ったりすることはない」

しかし、地球規模の嵐が機械を詰まらせ、宇宙飛行士や探査機が頼りにしている太陽光発電を断つ可能性がある。スピリットとオポチュニティの探査機は、2007年の前回の地球規模の砂嵐の際には、1日数分以上（電子機器を温かく保って正常に機能させるのに十分な時間）電源を入れずに数週間待機した。

ダストバスター

宇宙飛行士が地球規模の砂嵐にどれだけうまく対応できるかは、砂嵐がいつ起きるか、どのくらい続くかをどれだけ正確に予測できるかにかかっています。回避策の 1 つは、代替電源を使用することです。たとえば、探査車 Curiosity は、プルトニウムから電気を生成する放射性同位元素発電システムを使用しています。もう 1 つは、水を水素と酸素に分解して電力を蓄えることです。「太陽が輝いている間に燃料を作り、エネルギーを蓄えておけば、砂嵐の状況に陥ったときに利用できます」と Hoffman 氏は言います。残念ながら、プルトニウムは放射性であり、水素は非常に燃えやすいため、どちらも NASA にとってあまり魅力的ではありません。

過塩素酸塩と呼ばれる有毒化合物を含む塵は、宇宙服の中に入り込む可能性もある。「乗組員が実際に生活している場所に塵が入らないようにする方法を考えなければならない」とNASA惑星科学部のリチャード・デイビス氏は言う。

大気圏に侵入して地球規模の嵐を引き起こす塵も非常に細かい。「煙の粒子ほどの大きさで、開閉するものから塵を遠ざけるのは困難です」とホフマン氏は言う。「ハッチや、肩関節や腰部などスーツの回転部分なら、塵がおそらく入り込むでしょう」。つまり、有毒な塵は機械の消耗や損傷を引き起こす可能性もある。

地球規模の砂嵐が、地球の極地の冬に見られるような暗闇を引き起こすことはないが、暗闇が長く続くと疲れるかもしれない。「暗い状態がかなり長く続くこともあるが、24時間ずっと真っ暗というわけではない」とホフマン氏は言う。

それでも、宇宙飛行士が遭遇するまで、地球規模の砂嵐の中で生活することがどのようなものかは分からない。「おそらく何らかの影響はあるだろうが、実際にやってみるまでは完全には分からないだろう」とデイビス氏は言う。

宇宙のダンス

シャーリーは昨年の論文で、太陽系の重心の周りを回る火星の運動の変化が、地球規模の砂嵐の発生確率とどのように関係しているかを調べた。驚いたことに、太陽系の重心は必ずしも太陽ではない（太陽が太陽から遠く離れていることはないが）。太陽の周りを回る惑星の重力が火星を引っ張り、太陽がこの重心の周りを「ズームイン、ズームアウト、ズームアウト」する原因になっているとシャーリーは言う。「基本的に、火星は太陽に固定されており、太陽が太陽系の重心の周りをフラダンスのように踊ると、火星も一緒に運ばれるのです。」

シャーリー氏と同僚は、火星の運動量が変化すると大気も変化し、空気の循環が絶えず加速したり緩んだりすると考えている。こうした変化により、火星は地球規模の砂嵐に見舞われる可能性がある。研究者らは大気のこうしたサイクルについて予測し、コンピューター モデルを使用して、循環が激しくなると砂塵がより高く舞い上がり、砂嵐が「暴走」して地球規模になる可能性があることを発見した。火星で観測された 9 回の地球規模の砂嵐はすべて、砂嵐の季節に循環がより激しくなったと思われる年に発生した。

「火星が他の惑星や太陽からの引力によって加速し、勢いを増している時期は、地球規模の砂嵐が起きやすい状況のようです」とシャーリー氏は言う。今年と似た状況だった過去の季節のうち、彼が調査した中で地球規模の砂嵐が起こらなかったのはたった1シーズンだけだった。

したがって、太陽や他の惑星の重力が赤い惑星の運動量と大気に及ぼす影響を調査することは、科学者が予測を立てるのに役立つ可能性がある。地球規模の砂嵐からより多くのデータを収集することも役立つだろう。また、ある時点では火星の一部だけを覆っている火星の塵の層が、年ごとにどのように移動し、時には強風の地域に定着するかを理解することも役立つだろう。

火星の巨大な嵐を研究することで、地球についての洞察が得られるかもしれないとシャーリー氏は言う。赤い惑星には海がないため、地球よりも大気が単純である。「大気の変化や風の変化の原因について物理学的に何か新しいことがわかれば、その知識をより複雑な地球のケースに適用できると期待しています」とシャーリー氏は言う。