Constructing the model for a stability and evolution of the subsurface ocean in icy bodies

• Project/Area Number: 17K05635
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Solid earth and planetary physics
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 木村 淳 大阪大学, 理学研究科, 助教 (00536138)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 衛星 / 内部構造 / 生命 / 進化 / 氷 / 惑星起源・進化 / 惑星探査 / 宇宙科学 / 地球・惑星内部構造

Outline of Annual Research Achievements

氷天体における地下海の誕生から現在までの進化を説明するために，前年度に構築した内部熱輸送とH2Oの固液状態変化考慮した数値モデルとその基礎計算を踏まえ，冥王星を対象とした数値実験を様々な条件下で行った．
具体的には，質量と平均密度の制約下で許容される範囲で岩石とH2Oの質量比を変化させた内部構造（内部の岩石核と外層のH2O殻）をモデル化し，初期のH2O殻を全溶融と全固化の2極端状態を想定した．岩石核には，熱源としての長寿命放射性同位体をCIコンドライト的な濃集度と普通コンドライト的な濃集度を仮定し，46億年間の内部温度分布の進化と地下海の生成・消滅を含めた厚さの変化を追跡した．岩石核は，その密度が高いほど核半径が小さくなる．特に岩石密度が3.5g/cc以上の場合には，H2O殻の下部で高圧相氷が出現する圧力範囲に達する．H2O殻はそれが固体である場合の粘性率が熱輸送を強く律速するため，5桁ほどの幅を持ったパラメタスタディを行った．
その結果，計算開始から46億年経った時点（すなわち現在）の地下海の厚さは，氷の粘性率が高い（氷地殻の熱輸送効率が低い）ほど大きくなり，CIコンドライト的な放射性同位体濃集度よりも普通コンドライト的なそれの方が50kmほど厚くなることが分かった．また，H2O殻の初期状態には依存しないことも分かった．さらに，地下海にアンモニアが溶存したケースも考慮したところ，アンモニアが溶存しない場合に46億年後には地下海が存在しない（H2O殻が全固化している）ケースでも，1質量%でも溶存していればその融点降下の効果によって地下海が維持されることが分かった．これらの結果は国際学会で発表し，査読付き欧文誌に投稿して現在改訂中である．
また，本研究を含めた議論の場として「衛星系形成研究会」を前年までと同様に継続開催した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

申請額と支給額の差違から，当初予定していたものよりも性能を下げ安価な計算機を購入する必要が生じたため，計画段階で想定していた進化ステージの一部（特に微惑星から衛星集積完了までの段階）の考察を省略しているが，それを初期H2O層の固液状態の違いとして取り扱うことでカバーし，現状ではほぼ遅滞なく研究が進展している．

Strategy for Future Research Activity

現状はおおむね順調に進展しているので，今後も計画通りに研究を推進していく．上に述べた，申請時よりも性能の低い計算機を用いている影響は，パラメタスタディを行う際に多少の制約を生じさせる可能性があるものの，計画の全体像に修正を迫るようなインパクトは見込まれない．

Research Products

• [Int'l Joint Research] ドイツ航空宇宙研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] スウエーデン宇宙物理研究所(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] パリ天文台(フランス)
• [Int'l Joint Research] ドイツ航空宇宙センター(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] スウェーデン宇宙物理学研究所(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] パリ天文台(フランス)
• [Journal Article] Science Objectives of the Ganymede Laser Altimeter (GALA) for the JUICE Mission (2019)
  • Author(s): Jun Kimura, H. Hussmann, S. Kamata, K. Matsumoto, J. Oberst, G. Steinbrugge, A. Stark, K. Gwinner, S. Oshigami, N. Namiki, K. Lingenauber, K. Enya, K. Kuramoto, and S. Sasaki
  • Journal Title: AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN Volume: 17 Issue: 2 Pages: 234-243
  • DOI: 10.2322/tastj.17.234
  • NAID: 130007607430
  • ISSN: 1884-0485
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Active Surface and Interior of Europa as a Potential Deep Habitat (2019)
  • Author(s): Jun Kimura
  • Journal Title: in Astrobiology Volume: - Pages: 383-397
  • DOI: 10.1007/978-981-13-3639-3_24
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent‐body processes (2019)
  • Author(s): Seiji Sugita, R. Honda, T. Morota, S. Kameda, H. Sawada, E. Tatsumi, M. Yamada, C. Honda, Y. Yokota, T. Kouyama, N. Sakatani, K. Ogawa, H. Suzuki, T. Okada, N. Namiki, S. Tanaka, Y. Iijima, K. Yoshioka, M. Hayakawa, Y. Cho, M. Matsuoka, N. Hirata, N. Hirata, H. Miyamoto, Jun Kimura
  • Journal Title: Science Volume: 17 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1126/science.aaw0422
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Global classification of lunar reflectance spectra obtained by Kaguya (SELENE): Implication for hidden basaltic materials (2019)
  • Author(s): Hareyama, M., Y. Ishihara, H. Demura, N. Hirata, C. Honda, S. Kamata, Y. Karouji, J. Kimura, T. Morota, H. Nagaoka, R. Nakamura, S. Yamamoto, Y. Yokota, M. Ohtake
  • Journal Title: Icarus Volume: 321 Pages: 407-425
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2018.11.016
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Orbital evolution of Saturn’s mid-sized moons and the tidal heating of Enceladus (2019)
  • Author(s): Ayano Nakajima, S. Ida, Jun Kimura, and R. Brasser
  • Journal Title: Icarus Volume: 317 Pages: 570-582
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2018.08.030
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Feasibility of the exploration of the subsurface structures of Jupiter's icy moons by interference of Jovian hectometric and decametric radiation (2018)
  • Author(s): Atsushi Kumamoto, Y. Kasaba, F. Tsuchiya, H. Misawa, H. Kita, W. Puccioy, J.-E. Wahlundy, J. Bergmany, B. Cecconi, Y. Gotox, Jun Kimura
  • Journal Title: Planetary Radio Emissions VIII Volume: - Pages: 127-136
  • DOI: 10.1553/pre8s127
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Science Objectives of the Ganymede Laser Altimeter (GALA) for the JUICE mission (2018)
  • Author(s): Jun Kimura et al.
  • Journal Title: Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences Volume: -
  • NAID: 130007607430
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Feasibility of the exploration of the subsurface structures of Jupiter's icy moons by interference of Jovian hectometric and decametric radiation (2018)
  • Author(s): Atsushi Kumamoto, Jun Kimura et al.
  • Journal Title: Planetary Radio Emissions VIII Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Interior evolution of Galilean satellites (2019)
  • Author(s): Shunichi Kamata and Jun Kimura
  • Organizer: Symposium on Planetary Sciences 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Clues from above: Topographic signatures of icy surface dynamics using laser altimetry and implications for the Ganymede laser altimeter (GALA) (2019)
  • Author(s): Catherine Walker, Jun Kimura, and Alex Gardner
  • Organizer: 50th LPSC
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal evolution and stability of subsurface ocean in Pluto Metallic core and thermal evolution of icy bodies (2018)
  • Author(s): Jun Kimura
  • Organizer: JpGU Meeting 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The Ganymede Laser Altimeter (GALA) for ESA’s Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) Mission (2018)
  • Author(s): Hauke Hussmann, Kay Lingenauber, Reinald Kallenbach, Jurgen Oberst, Keigo Enya, Masanori Kobayashi, Noriyuki Namiki, Jun Kimura, N. Thomas, L. Lara, Gregor Steinbrugge, Alexander Stark, Fabian Luedicke, Thomas Behnke, Christian Althaus, Simone Del Togno, Belinda Borgs, Harald Michaelis, Judit Janchen
  • Organizer: EPSC 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evolution of Pluto’s subsurface ocean and constraint on its interior (2018)
  • Author(s): Jun Kimura, and Shunichi Kamata
  • Organizer: AOGS2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Volume Expansion of Ganymede due to Temperature Change and Phase Change of Ices (2018)
  • Author(s): Yoda Masahiro, Jun Kimura, Yashito Sekine, Kei Kurita
  • Organizer: Cryovolcanism in the Solar System Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evolution of subsurface ocean of Pluto and constraint on its interior (2018)
  • Author(s): Jun Kimura and Shunichi Kamata
  • Organizer: JpGU Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inclusion of ammonium ion into clathrate hydrate in subsurface ocean of icy moon (2018)
  • Author(s): Ryusuke Nishitani, Jun Kimura, Atsushi Tani, Sho Sasaki
  • Organizer: 14th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] JUICE 搭載ガニメデレーザ高度計 (GALA)－ 概要および日本チーム開発状況 (2018)
  • Author(s): 塩谷圭吾，並木則行，小林正規，木村淳
  • Organizer: 日本惑星科学会2018年秋季講演会
• [Presentation] 冥王星表面の氷の昇華と凝結による反射率の変化 (2018)
  • Author(s): 松井弥志，木村淳
  • Organizer: 日本惑星科学会2018年秋季講演会
• [Presentation] 土星衛星エンセラダス熱進化におけるクラスレートハイドレートの役割 (2018)
  • Author(s): 西谷隆介，木村淳，谷篤史，佐々木晶
  • Organizer: 日本惑星科学会2018年秋季講演会
• [Presentation] 冥王星地下海の安定性と進化 (2018)
  • Author(s): 木村淳，鎌田俊一
  • Organizer: 日本惑星科学会2018年秋季講演会
• [Presentation] 木星圏探査機JUICE 搭載レーザ高度計（GALA）の科学目標 (2018)
  • Author(s): 木村淳，並木則行，鎌田俊一，松本晃治，押上祥子，塩谷圭吾，倉本圭
  • Organizer: 第144回 SGEPSS総会および講演会
• [Presentation] 氷天体熱進化に対するクラスレートハイドレートの影響 (2018)
  • Author(s): 西谷隆介，木村淳，谷篤史，佐々木晶
  • Organizer: 第6回衛星系研究会
• [Presentation] 土星中型衛星の軌道進化 (2018)
  • Author(s): 中島彩乃，木村淳，井田茂
  • Organizer: 第6回衛星系研究会
• [Presentation] 衛星研究の現状と将来展望 (2018)
  • Author(s): 木村淳
  • Organizer: 第19回惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] Thermal history and stability of subsurface ocean in Pluto (2017)
  • Author(s): Jun Kimura
  • Organizer: AOGS 2017 Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Science Objectives of the Ganymede Laser Altimeter (GALA) for the JUICE mission (2017)
  • Author(s): Jun Kimura
  • Organizer: Joint Conference: 31st ISTS, 26th ISSFD and 8th NSAT
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal evolution and stability of subsurface ocean in Pluto (2017)
  • Author(s): Jun Kimura
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] JUICE 搭載ガニメデレーザ高度計(GALA) で目指すサイエンス (2017)
  • Author(s): 木村淳
  • Organizer: 日本惑星科学会2017年秋季講演会
• [Presentation] JUICE/GALA-J(2): JUICE搭載ガニメデレーザ高度計（GALA）が木星氷衛星で目指す科学 (2017)
  • Author(s): 木村淳
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017