-火星の名所案内 その4-
北極冠/南極冠 (North polar cap/South polar cap)
(2015.1.25 月惑例会の資料に加筆）
2018.8.26
三品利郎
目 次
◆南北極冠の比較
◆北極の平原がなぜできたか
◆南北極冠の消長の様子
◆トンボー-マーティン説
◆南極フードと南極冠
◆MGSの画像-北極フードと北極冠
◆永久北極冠(residual north polar cap)
◆永久南極冠(residual south polar cap)
◆MGS画像と地上観測の対応
◆ミッチェル山
◆オームズビー・マックナイト・ミッチェル(1806-1862)
◆南北極冠の比較
南北の両極冠を比較すると、好対照であることがわかります。北極は平原であるのに対し南極は山岳地帯です。南極冠の
方が冬が長く、夏が短いため、ドライアイスの層が残留します。南極の冬は遠日点に近く、寒いため南極冠は50°まで広
がります。永久北極冠は、時計回りの渦巻模様があります。（参考文献、[1],[2],[3])
表-1 北極冠と南極冠の比較
◆北極の平原がなぜできたか
地形図、図-1を見ると、北半球には「ボレアレス平原（Vastitas Borealis）」（表面積の40%)があります。対して、南半球は起伏が
激しく、さらに、ボレアレス平原より標高が4〜8kmも高くなっています。
図-1 北半球と南半球の地形の違い
なぜ、北半球と南半球の地形が大きく異なるのか、最近、次に紹介する「小惑星の衝突」によるという説が発表されました。
・小惑星衝突説
2008年6月に、火星の北半球、「ボレアリス・ベイスン」が、太陽系形成初期に起きた冥王星級の小惑星が衝突した名残だと
いう論文がネイチャーに掲載されました。直径1,600〜2,700kmの天体が、秒速6〜10kmで表面に対して30〜60度斜めに衝突
すると火星が崩壊せずに楕円で縁の無いクレータが出来ることとをシミュレーションで明らかにしたものです。[4]
日本語の解説は、アストロアーツ天文ニュース 2008年6月26日、「火星表面の4割、太陽系最大のクレーターか」です。
掲載された論文は以下の３編です。
(1)Jeffrey C. Andrews-Hanna, Maria T. Zuber1 & W. Bruce Banerdt
“The Borealis basin and the origin of the martian crustal dichotomy” Nature 453, 1212-1215 (26 June 2008)
(2)Margarita M. Marinova, Oded Aharonson & Erik Asphaug"Mega-impact formation of the Mars hemispheric dichotomy"
Nature 453, 1216-1219 (26 June 2008)
(3)F. Nimmo, S. D. Hart1, D. G. Korycansky & C. B. Agnor
“Implications of an impact origin for the martian hemispheric dichotomy” Nature 453, 1220-1223 (26 June 2008)
NatureのNEWS,”Asteroid smash turned Mars into 'takeaway pizza' planet”には小惑星が火星の北極をかすめるように
衝突するコンピュータ・シミュレーションのアニメーション（図-2)も掲載されていました。[5]
図-2 火星と小惑星の衝突（Natre NEWSに掲載されたアニメーション)
◆南北極冠の消長の様子
図-3に、極冠が消長する変化がわかるように、MGSの画像を使ってアニメにしました。図-3です。2005年1月25日から
2006年9月26日までの1年9か月の火星が太陽の周りを一周する期間、北半球の春分(Ls0°)から次の春分までです。
北半球の春分を過ぎたLs12°では、上の縁に北極冠が見えています。Ls25°Ls39°Ls50°と北極冠が縮退して行きます。
Ls79°になると殆ど見えなくなります。Ls93°になると、ヘラスが真っ白になり、南極の方にも白い雲が現れます。Ls107°,
Ls145°と雲が広がります。北半球の秋分を過ぎて、Ls193°になると北極の方は影で見なくなり、南極冠が白く広がります。
そして、Ls211°から南極冠が縮退して行き.Ls269°になると殆ど消えてしまいます。Ls306°になると、今度は北極に雲が
現れます。Ls357°になると白い北極冠が現れます。
(NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
図-3 南北極冠の変化
（出典 Malin Space Science Systems Mars Global Surveyor Mars Orbiter Camera 2005.1.25〜2006.9.26）
Mars Global Surveyorの The Mars Orbiter Laser Altimeter(MOLA)で南北の極冠の拡がりと厚さを測定し、
アニメーションにしたものが、NASAのWEBに公開されています。
図-4は,"MOLA: Seasonal Snow Variations on Mars,clouds at both poles, with dates, with contours"のページ[7]に掲載さ
れているもので、北極冠、南極冠の拡がりの様子を対比して見られるように編集されたものです。
(NASA/GSFC)
図-4 北極冠と南極冠の拡がりと消長
図-5は、"MOLA: Seasonal Snow Variations on Mars, Graph Showing Snow Variations at Both Poles, With Dates"の
ページ[8]に公開されているもので、北極冠、南極冠の高さの変化を見られるように編集されたものです。
(NASA/GSFC)
図-5 北極冠と南極冠の厚さの変化
◆トンボー-マーティン説
クライド.トンボーは、NPCがフードの下に存在しておらず、それどころかフードが消散するときに形成される説を提案していました。
(もちろん、小さいNPCの断片はいつも存在しています。)
ドン・パーカーさんが、1992年10月25日に撮影した画像は、フードを透かして火星のアルベド模様が写っていました。
N49.5°が北極フードの南の縁、N69.7°は、北極のアルベド模様です。この画像は,トンボーの説( トンボーーマーティン説
Tombaugh-Martin theory)を裏付けるものです。[9]
図-6 ドン・パーカーさんが1992年10月25日に撮影した画像[9]
・クライド・トンボーの業績
C.W.トンボーは、1930年2月18日に冥王星を発見したことで有名です。火星を始め、木星、金星など惑星だけでなく、星団や
銀河の観測を行い、ローウエェル天文台に在籍した14年間で、多数の変光星、数百もの新小惑星、二つの新彗星を発見し、
約30,000もの銀河を記録しました。[10][11]
また、1963年には、木星の大赤斑についての研究を発表しています。写真撮影によって大赤斑のドリフトや光度を求めています。
Observations of the Red SPOT on Jupiter, Smith, Bradford A.; Tombaugh, Clyde W.
Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Vol. 75, No. 446, p.436 ,10/1963
図-7 クライド・トンボーの木星、大赤斑の研究発表
◆南極フードと南極冠
図-8には、南極フードや南極冠の変化がわかるようにMGSの画像を並べました。Ls160°(2005/2/15),Ls176°(2005/3/15)は、
南極フードから火星の模様が透けて見えています。ということは、極冠は透明だということです。フランスの惑星科学者、フォルジェ(Forge)さんの
著書に次のような説明があります。
”地球の雪とはちがい、凝固する際に、火星の「空気」が、ドライアイスの氷やドライアイスの雪に入ることはあまりないと考えられる。
というのは、凝固するのは火星の「空気」（二酸化炭素)そのものだからである。そのために場所によっては、ドライアイスの氷の層は
高密度で純度が高く、ほぼ透明であると推測される。"[12]
そして、フードが消えると、Ls193°(2005/4/19),Ls211°(2005/5/17)は、雪の結晶のように白く輝く極冠になります。
2005/2/15 2005/3/15 2005/4/19 2005/5/17
図-8 南極フード/南極冠の変化 (NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
◆MGSの画像-北極フードと北極冠
Malin Space Science Systems Mars Orbiter Camera Mars Weather Updateのページから北極の画像をLsの順に、並べました。図-9〜14です。
北極フードから北極冠へ変わってゆく様子がわかります。図のキャプションから北極冠に関するものを抜粋して訳してあります。
図-9 MGSの画像-北極フードと北極冠(Ls326〜329°) (NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
図-9、右の北半球の極ステレオ投影図(右)は、北極フードがはっきりと崩壊しているように見え、季節的な霜による北極冠のエッジが初めて
綺麗に姿を現しています。
図-10 MGSの画像-北極フードと北極冠(Ls337〜340°) (NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
図-10の北極のステレオ投影図(右)は、クレーターLyotの西側（A）の北極冠の縁の近くにダストストームが見られ、ユートピアの北（B）を
二酸化炭素の北極冠を横切って北極雲が移動しているのが見える。
図-11 MGSの画像-北極フードと北極冠(Ls341〜345°) (NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
図-11の北極のステレオ投影図(右)では、北極の季節的な霜は、はっきり目に見えて後退を続けています。普通にバラまかれていた氷の雲は、
特定の系統に集中しています。ターミネーターは北方まで移動しており、北極の残りの部分が見え始めるところです。
図-12 MGSの画像-北極フードと北極冠(Ls355〜358°) (NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
図-12の北極のステレオ投影図(右)では、後退している北極冠の縁のすぐ南で、水の氷の雲と靄(北極フードの残り)が続いています。
これらの雲における氷の源は、おそらく後退している季節的な二酸化炭素の極冠、それ自体でしょう。
その二酸化炭素の極冠は北半球の冬に凝縮の過程で、水氷のためのコールド・トラップとして作用します。
二酸化炭素が水よりはるかに低い温度で凝縮するので、二酸化炭素の霜のすべてが昇華するまで、水の氷は極冠の中に捕らえられています。
CO2がなくなるまでは地面が冷えるのですが、表面が水の氷を昇華させることができるくらい暖かくなると、すぐに水を大気に放ち再び凍結し
て雲になります。
図-13 MGSの画像-北極フードと北極冠(Ls359〜2°) (NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
図-13の北極のステレオ投影図(左)では、北極冠の縁に沿ったダストストームが衰えています。
図-14 MGSの画像-北極フードと北極冠(Ls26〜28°) (NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
図-14の北極のステレオ投影図(左)では、季節的な北極冠は後退を続けています。北極冠の縁は、緯度で60°Nにあり、非対称の形になって
います。北極冠の後退の速度は火星年ごとに同じです。
◆永久北極冠(residual north polar cap)
図-15は、MGSのMOLAとVIKINGによる画像から作成したものです。[13]
永久北極冠は、コリオリの力により、北極から吹き出す風が渦巻き模様を形成しています。水の氷からなり、直径1,100km、厚さは平均2kmで
周囲から3kmの高さです。中心は北極点にあります。
(NASA/GSFC)
図-15 永久北極冠(residual north polar cap)
◆永久南極冠(residual south polar cap)
図-16は,2004年3月17日に公開された、OMEGAという分光カメラで撮影されたものです。[14]
永久南極冠は南極点に対して偏心しています。水色に着色された部分が水の氷で、薄いピンクに着色された部分が
二酸化炭素の氷です。直径400km、厚さは平均3kmで,北極冠よりも6km高くなっています。南極点から3°アルギル平原
(Argyre Planitia)の方に中心が寄っています。
（ESA OMEGA)
図-16 永久南極冠(residual south polar cap)
・春の南極の画像
図-17は、2001年9月12日にマーズ・グローバル・サーベイヤー(MGS)のMars Orbiter Camera(MOC)で広角度の画像を撮影したも
のです。画像の中央にある明かるい地域は永久南極冠です。永久南極冠を囲む明るい領域地域は2001年6月17日に終わった南半
球の冬の間に積もった季節の霜の南極冠を作っています。[15]
(NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
図-17 春の南極冠
◆MGS画像と地上観測の対応
次の図18,19,20,21は、MGSが撮影した画像と地上観測で撮影された画像を並べて比較したものです。
・池村さん撮影の画像(北極冠)
図18,19はMGSと池村さんが撮影した画像を、Lsが近いものを並べました。いずれも北極冠が写っています。極冠の変化
がわかります。
図-18 Ls317〜357°の画像
図-19 Ls355〜29°の画像
・D.C.パーカーさん撮影画像(北極冠)
図20はMGSとD.C.パーカーさんが撮影した画像を、Lsが近いものを並べました。いずれも北極冠が写っています。
図-20 Ls324〜12°の画像
・池村さん撮影の画像(南極冠)
図-21はMGSと池村さんが撮影した画像を、Lsが近いものを並べました。いずれも南極冠が写っています。なお、2003年
6月24日のものはD.C.パーカーさんが撮影したものです。
図-21 Ls159〜211°の画像
◆ミッチェル山
南極冠が縮退してゆくと、半島状に取り残される部分があります。Ls240°ごろから、位置は73S,290W付近[17]で見られます。
2003年には島状に分離したミッチェル山が撮影されました。これは、1845年の大接近シーズンの8月にアメリカの天文学者、
オームズビー・マックナイト・ミッチェル(Ormsby McKnight Mitchel)発見した[16]ことに因んで、ミッチェル山と呼ばれます。英語では
”Mountains of Mitchel”或いは“Mitchel Mountains”と表記されます。Mountainsと複数形ですので、”山脈/山地”という意味があり
ます。例えば、”Rocky Mountains”はロッキー山脈のことです。この半島状に取り残される部分を彼は、山頂の残雪と予想しました。
そして、1960年代まではそのように考えられていました。
画像は、2003年9月11日に池村さんが撮影したミッチェル山です。南極冠の左隅に島状の白い輝点があります。
これがミッチェル山と呼ばれる極冠の溶け残りです。
図-22 ミッチェル山 (池村さん撮影)
図-23は、2003年9月11日にEd.グラフトンさんが撮影しました。Ls258°で、ヘラスの南にミッチェル山が現れました。
図-23 ミッチェル山(Ed.グラフトンさん撮影)
19世紀末には、ローウェルがMitchel山を観測しています。大接近時に、ローウェル天文台で写真が撮影されています。
画像は、左から1909年の大接近、1924年の大接近、1941年の準大接近です。[16]
図-24 ローウェル天文台で撮影されたミッチェル山
1970年代になりマリナーやバイキングが撮影した画像には、その場所に“山”は無く、クレータの多い凸凹した地形が写って
いました。その後、MGSのOrbiter Laser Altimeter(MOLA)の観測で、その付近が南斜面になっていることがわかりました。[18]
ミッチェル山の成因については、南極の風の影響[17]、或いは、南向きの斜面による影響[18]との説があります。
図-25 ＭＧＳが撮影したミッチェル山
◆オームズビー・マックナイト・ミッチェル(1806-1862)
ミッチェルは、陸軍の軍人で、ウエストポイント士官学校で数学を教えていました。弁護士と、測量士も兼ねていました。また、
天文雑誌の出版にも取り組みました。
1836年に、彼は、シンシナティ大学で数学の助教授、哲学、および天文学の教授になって、その間に、天文台の建設に携わ
りました。1843年に当時世界で二番目に大きい口径28cm屈折望遠鏡を有する天文台が完成しました。
南北戦争(1861-1865)に従軍（北軍）し、1862年、少将に昇進しましたが直後にマラリヤに罹りサウスカロライナで世を去りました。
[補足]当時、屈折の最大口径は、Markree天文台（アイルランド）の34cmでした。[19]
図-26 ミッチェルの肖像 図-27 観測風景
上の写真の出典は、CINCINNATI OBSERVATORY HISTORIC GALLERYです。
Mitchelが1860年に出した“Popular astronomy, or The sun, planets, satellites, and comets”に、発見時のスケッチ図‐27と
状況が書かれています。そのスケッチは、上下二つあり、上は”MARS,AUG,30,8H55M,1845”、
下は”MARS,CINCINATI OBSERVATORY,AUG 5,1845”とキャプションが付いています。90ページに発見時の状況が書かれて
おり、8月30日の夕方、初めて極冠の縁に小さな明るい隆起を見たこと、8h55mにスケッチを描いたことが記されています。 原文は、
”On the evening of the 30th August I observed, for the first time, a small bright spot, nearly or quite round, projecting out
of the lower side of the polar spot. In the early part of the evening the small bright spot seemed to be partly buried in the
large one, and was in this position at8h. 55m. when the drawing, No. 1, was made. "です。[20]
従って、スケッチのキャプションが逆さまになっていることがわかります。下のスケッチが1845年8月30日8時55分のものです。念の
ため、Winjuposで1845年8月30日午後8時55分（アメリカ東部時間）での火星を確認すると(図-28)、ほぼスケッチと同じになりました。
図-27 発見時のスケッチ
図-28 Winjuposによる発見時の火星
<参考文献>
[1] Nadine G.Barow,Mars,CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS,2008, P151〜154
[2] Peter Grego,Mars,Springer2012,P36〜P44,
[3] Francois Forget, Francois Constard,Philippe Lognonnee,PLANET MARS,Springer,2008,P155〜157,P164〜165
[4] アストロアーツ天文ニュース、「火星表面の4割、太陽系最大のクレーターか」 2008年6月26日
[5] nature news ”Asteroid smash turned Mars into 'takeaway pizza' planet”
[6] Malin Space Science Systems Mars Global Surveyor Mars Orbiter Camera 2005.1.25〜2006.9.26）
[7] MOLA: Seasonal Snow Variations on Mars, clouds at both poles, with dates, with contours
[8] MOLA: Seasonal Snow Variations on Mars, Graph Showing Snow Variations at Both Poles, With Dates
[9] Jeffrey D. Beish,"Observing the Planet Mars",Chapter 3 -- THE POLAR REGIONS OF MARS, 2013
[10] Totally HISTORY Clyde Tombaugh
[11] Famaous Scientists Clyde Tombaugh
[12] フランソワ・フォルジェ(Francois Forget), フランソワ・コスタール(Francois Constard),フィリップ・ロニョーネ(Philippe Lognonnee),
火星 赤い惑星の46億年史、ニュートン・プレス,2009,P114
[13] MOLA: Seasonal Snow Variations on Mars, Zoom to Martian North Pole: True Color
[14] ESA Space in Images, OMEGA view of Martian south pole
[15] NASA,Featured Image,Mars' Southern Polar Cap, May15,2005
[16] Samuel Glasstone,1968,THE BOOK OF MARS,NASA,P70
[17] James A.Cutte,1971,"The location of the Mountains of Mitchel and evidence for their nature in Mariner 7 pictures",Icarus Vol16,Issue3,P528-534
[18] Mars Global Surveyor Mars Orbiter Camera,"The Mysterious Martian Mountains of Mitchel",MGS MOC Release No. MOC2-178, 17 September 1999
[19] Wikipedia,"List of largest optical telescopes in the 19th century"
[20] Ormsby MacKnight Mitchel,“Popular astronomy, or The sun, planets, satellites, and comets”,P90
以 上