氷、メタン、アンモニアの高温高圧分解実験による天王星と海王星のマントル構造の解明

• Project/Area Number: 16J00612
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Petrology/Mineralogy/Economic geology
• Research Institution: Ehime University (2017-2018); Tohoku University (2016)
• Principal Investigator: 木村 友亮 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 特別研究員(PD) (50624540)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ダイヤモンドアンビルセル / アンモニア / 超イオン / 融解 / 高圧力 / 天王星 / 海王星 / ブリュアン散乱分光法 / ラマン散乱分光法 / レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセル / 高圧相転移 / 氷 / 高圧実験

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、CO2レーザー加熱装置とブリュアン-ラマン散乱分光計測を組み合わせた複合計測システムを開発し、惑星内部環境下におけるアンモニアの弾性波速度計測とラマン分光分析を行った。高温高圧下のアンモニアのブリュアンスペクトル中に出現する、液体に由来する音速ピークの観察を基にして60 GPaまでのアンモニアの融点計測に成功した。約2000 K、40 GPa以上の温度圧力条件で低い音速を持つ新しい相を発見した。ラマン分析からその新しい相はイオン化していることがわかり、この相が超イオン相に相当することがわかった。超イオン相の縦波速度は液体と同等であることが示されたため、超イオン相は液体と同程度の弾性特性を持っていることがわかった。本研究で決定した融解曲線から惑星内部の温度圧力環境にアンモニアの超イオン相が存在することが明らかになった。したがって、超イオンアンモニアは天王星、海王星内部に存在しているが、この物質が液体と同等の弾性特性を持っていることから、超イオン物質は惑星深部の対流抑制に寄与していないことがわかった。氷惑星のもう一つの主要物質であるメタンは深部で水素とダイヤモンドに分解することがわかっている。この分解生成されたダイヤモンドがマントル深部に沈殿してダイナモ生成を妨げるような安定成層を形成している可能性が考えられる。このように本研究から、氷惑星の磁場生成 メカニズムと関連する、重要な内部構造が明らかになった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ETH Zurich(スイス)
• [Int'l Joint Research] エジンバラ大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ネバダ大学ラスベガス校(米国)
• [Int'l Joint Research] ネバダ大学ラスベガス校(米国)
• [Journal Article] Application of Laser Technology for Static and Dynamic Compression Experiments (2018)
  • Author(s): KIMURA Tomoaki
  • Journal Title: The Review of High Pressure Science and Technology Volume: 28 Issue: 2 Pages: 131-138
  • DOI: 10.4131/jshpreview.28.131
  • NAID: 130007402264
  • ISSN: 0917-639X, 1348-1940
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Melting temperatures of MgO under high pressure by micro-texture analysis (2017)
  • Author(s): T. Kimura, H. Ohfuji, M. Nishi, T. Irifune
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Issue: 1 Pages: 15735-15735
  • DOI: 10.1038/ncomms15735
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Melting temperatures of MgO under high pressure by micro-texture analysis (2017)
  • Author(s): T. Kimura, H. Ohfuji, M. Nishi, T. Irifune,
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Shock Compression Response of Forsterite above 250 Gpa (2016)
  • Author(s): T. Sekine, N. Ozaki, Y.Asaumi, T. Kimura, K. Miyanishi, B. Albertazzi, Y. Sato,Y. Sakawa, T.Sano, S. Sugita, T. Matsui, and R. Kodama
  • Journal Title: Sci. Adv. Volume: 2(8) Issue: 8 Pages: 31600157-31600157
  • DOI: 10.1126/sciadv.1600157
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic compression of dense oxide (Gd3Ga5O12) from 0.4 to 2.6 TPa: Universal Hugoniot of fluid metals (2016)
  • Author(s): N. Ozaki, W. J. Nellis, T. Mashimo, M. Ramzan, R. Ahuja, T. Kaewmaraya, T. Kimura, M. Knudson, K. Miyanishi, Y. Sakawa, T. Sano, and R. Kodama
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 6, Issue: 1 Pages: 26000-26000
  • DOI: 10.1038/srep26000
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] CO2レーザーと組み合わせたブリュアンーラマン散乱分光システム (2018)
  • Author(s): 木村友亮、村上元彦
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] 両側CO2レーザー加熱システムを用いたMgOの高圧融点決定 (2018)
  • Author(s): 木村友亮
  • Organizer: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Melting temperatures of MgO up to ~50 GPa determined by micro-texture analysis (2017)
  • Author(s): Tomoaki Kimura, Hiroaki Ohfuji, Masayuki Nishi, Tetsuo Irifune
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: 幕張メッセ
  • Year and Date: 2017-05-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Melting temperatures of MgO up to ~50 GPa determined by micro-texture analysis (2017)
  • Author(s): T. Kimura, H. Ohfuji, M. Nishi, T. Irifune
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Melting temperatures of MgO up to ~50 GPa by micro-texture analysis (2017)
  • Author(s): T. Kimura, H. Ohfuji, M. Nishi, T. Irifune
  • Organizer: International Joint Graduate Program Workshop in Earth and Environmental Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー技術の静・動的圧縮実験への応用 (2017)
  • Author(s): 木村友亮
  • Organizer: 第58回高圧討論会
  • Invited
• [Presentation] 超イオンNH3で形成される天王星と海王星の安定成層 (2017)
  • Author(s): 木村友亮、村上元彦
  • Organizer: 第58回高圧討論会
• [Presentation] Melting temperatures of MgO under high pressure determined by micro-texture observation (2016)
  • Author(s): Tomoaki Kimura, Hiroaki Ohfuji, Masayuki Nishi, Tetsuo Irifune
  • Organizer: AGU fall meeting 2016
  • Place of Presentation: San Francisco
  • Year and Date: 2016-12-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Melting curve of MgO under high pressure constrained by micro-texture observation (2016)
  • Author(s): Tomoaki Kimura
  • Organizer: Gordon Research Seminar
  • Place of Presentation: Holderness School
  • Year and Date: 2016-07-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高圧下のタンタル(Ta)の融解直前の構造と融点の決定 (2016)
  • Author(s): 木村友亮
  • Organizer: レーザー研シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学 吹田キャンパス
  • Year and Date: 2016-04-19
• [Remarks] CO2レーザー加熱DACを用いたMgO融点精密決定に成功
  • URL: http://www.grc.ehime-u.ac.jp/archives/2258
• [Remarks] 木村友亮さんと柿澤翔さんが高圧討論会で受賞
  • URL: http://www.grc.ehime-u.ac.jp/archives/2908
• [Remarks] 地球のマントルはどのようにしてできたのか?
  • URL: https://academist-cf.com/journal/?p=5437