超音波ツールは将来火星の風速を追跡できるかもしれない

火星の天気はどんな感じでしょうか。かなり寒いという明白な事実はさておき、これは答えるのが難しい質問であることが証明されています。火星の大気の力学を詳細に理解するには、惑星の天気を左右する乱気流に関するデータが必要ですが、長年にわたり火星の表面を訪れたさまざまな着陸船には、そのデータを提供する機器がありませんでした。しかし、8 月 13 日にJournal of the Acoustical Society of Americaに発表された新しい論文では、この状況を変える可能性のあるデバイスの設計について説明されています。それは、火星で作動するのに十分な強度を持つ高度な風速センサーです。

1976年、火星の風がNASAのバイキング着陸船によって初めて測定されました。着陸船が経験した風速は、主に0メートル毎秒（m/s）から7m/sの範囲で、最大9.5m/sでした。インサイトとパーサヴィアランスによる最近の測定結果も同様で、それぞれ0m/sから7.5m/s、0m/sから12.1m/sでした。砂嵐の間、パーサヴィアランスは火星でこれまでで最も高い風速を記録しました。突風は22m/sに達しました。比較のために、2005年の風力発電調査では、海抜10メートルでの地球の平均風速は海上で6.65m/s、陸上で3.28m/sと計算されました。ハリケーンは風速が34m/s以上の嵐と定義されており、地球で記録された最高風速は113m/sです。

しかし、これらの着陸機が使用した方法には欠点がありました。風速が遅い場合、精度が比較的低く、また 3 方向の風を測定できないという欠点もありました。後者の問題は、地球の大気と同様に火星の大気が乱流であるため、特に問題でした。この乱流は、日中に火星の表面で加熱された比較的温かいガスの渦と上昇気流によって発生します。新しい論文では、これらの渦が「表面から熱、運動量、分子が伝達される主なメカニズムである」と説明されています。

しかし、それらを研究するには、「水平風だけでなく、一般的にははるかに穏やかな垂直風と乱流渦に関連する水平風の乱れも検出できる風センサー」が必要です。

地球上では、このような測定は超音波風速計で行われることが多い。超音波風速計は、一対のトランスデューサー間に非常に高い周波数の音波パルスを送信することで動作する装置である。これらの音波が大気中を伝播する際、風を含む大気中のガスの動きが、音波の到達時間に影響する。風に乗って送られたパルスは目的地に早く到着するが、風に逆らって送られたパルスは遅くなる。時間の差を測定することで、風速を効果的に測定できる。3 組のトランスデューサーを 3 つの直交軸に沿って配置すれば、風速と風向を 3 次元で測定できる。

このような装置は火星の風や大気の力学を研究するのに理想的だが、火星は繊細な機器にとって過酷な環境だ。大気圧は地球の平均大気圧のほんの一部にすぎない。また、気温は劇的に変化する可能性があり、論文では風速計は最低 -202°F から最高 68°F までの温度で動作する必要があると指摘している。

残念ながら、超音波風速計に使用されているトランスデューサーは、圧力と温度に敏感であることが多い。既存の風速計が火星で十分に堅牢であるかどうかを判断するために、研究者は火星の環境を模倣するように設計された設定で 4 つの候補モデルをテストした。このうち 2 つは市販のモデルで、残りの 2 つは著者らが作成したものである。

予想通り、装置は環境の影響を受けます。しかし、これらの影響を考慮することで、研究者は驚くほど低い誤差範囲で測定を行うことができました。風速はわずか 0.14%、音速は 0.07% です。音速の測定値は、反対方向への移動時間を平均化することで、火星の音速を決定するために使用されます。

共著者のロバート・ホワイト氏によると、この新しい方法は「これまで火星で使用されていたものよりも10倍速く、10倍正確」だという。

論文では、地球上に火星と条件が似ている場所が 1 つあることも指摘している。それは成層圏、具体的には地上から約 18.5 マイルから 26 マイルの高度範囲である。高高度気象気球はこの範囲で運用されており、研究者らは風速計がこれらの気球の二次的な用途にも使える可能性があると示唆している。