| Project/Area Number |
22H00164
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
寺田 直樹 東北大学, 理学研究科, 教授 (70470060)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古川 善博 東北大学, 理学研究科, 准教授 (00544107)
黒田 剛史 東北大学, 理学研究科, 助教 (40613394)
三宅 洋平 神戸大学, システム情報学研究科, 准教授 (50547396)
関 華奈子 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (20345854)
青木 翔平 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (60773629)
横田 勝一郎 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (40435798)
倉本 圭 北海道大学, 理学研究院, 教授 (50311519)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥41,470,000 (Direct Cost: ¥31,900,000、Indirect Cost: ¥9,570,000)
Fiscal Year 2026: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2025: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2024: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
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| Keywords | 大気流出 / 大気進化 / 生命関連分子 / 火星 |
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| Outline of Research at the Start |
「火星は生命の発生に適した大気環境を有したか？」という問いに答えるべく、以下の2課題を遂行する。（課題A）炭素と窒素の宇宙空間への流出率とその長期変遷を、最新の火星探査機の観測的実証に基づいて明らかにする。そして、火星大気における生命材料分子の前駆物質の生成量が、過去40億年間にわたって変遷するメカニズムを明らかにする。（課題B）大気中の生命材料分子の前駆物質が降雨によって降り積もり、河川や湖等に局所的に濃集した結果生じる全球濃度分布を見積もる。室内合成実験と組み合わせて生命材料分子の生成量と生成地域を定量的に評価し、初期火星における前生命的合成の効率を他の候補過程や初期地球と比較検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
「火星は生命の発生に適した大気環境を有したか」という問いに答えるべく、課題AではCとNを含む火星大気の流出率と生命構成分子の前駆物質（H2CO等）の生成率の長期変遷を、課題Bでは初期火星における前駆物質の降下量とリボース等の生命構成分子の生成量を調査した。
課題Aでは、初期火星大気モデルにH2COとその炭素同位体の光化学生成を組み込み、それらの生成率の数億年にわたる変遷を評価した[Koyama+2024]。還元型原始大気において紫外線遮蔽効果により高次炭化水素の重合が促進されることを示した[Yoshida+2024a]。流体力学的散逸モデルに酸化的炭素種を組み込み、CO等の放射冷却により大気流出率が低下することを示した [Yoshida+2024b]。初期火星の多流体MHDモデルを開発し、固有磁場が強い時に分子イオンの流出率が従来の多成分モデルと比べて約3桁増えることを明らかにした[Sakata+2024]。MHDモデル比較を実施し、構造再現の妥当性を示した[Sun+2024]。多次元版DSMCモデルに動的負荷分散技法OhHelpを実装し、計算性能を向上した。TGOとMAVENの分光・粒子観測データを解析し[Aoki+2024など多数]、数値モデル群の比較検証を進めた。2026年打上予定の火星衛星探査計画MMX [Kawakatsu+2024]に備え、イオン観測データから外圏大気分布を導出する手法を開発した[Masunaga+2024]。課題Bでは、リボース合成効率のpHや共存イオン等に対する依存性を明らかにした[Ono+2024]。そして大気光化学モデルで求めたH2COとその炭素同位体の生成率を組み合わせることにより、火星探査車キュリオシティが火星表層の堆積物中で発見した有機物の特異な同位体比は、大気起源の生成過程で説明しうることを明らかにした[Koyama+2024]。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究課題の大部分の項目において、当初の計画以上の成果を創出している。課題AとBの数値モデル群は開発・改良を予定通りに進めており、「研究実績の概要」で述べたように多数の学術論文として研究成果をまとめている。特に初期火星大気におけるH2COとその炭素同位体の光化学生成についての成果は、火星探査車キュリオシティが火星堆積物中で発見した13Cに枯渇した有機物の生成過程を説明しうる画期的な成果であり、国内外でプレスリリースされるなど世界的に注目を集めている。他にも、紫外線遮蔽効果による高次炭化水素の重合の促進、CO等の放射冷却による大気流出率の低下、多流体MHD過程による分子イオンの高効率流出など、いずれも従来の描像を塗り替える革新的な成果である。さらに、今後打ち上げ予定の日本の火星衛星探査計画MMXの観測に備えてイオン観測データから外圏大気の分布をリトリーバルする手法も開発した。このように、ほぼ全ての項目において計画通りもしくはそれ以上に成果を創出し、学術論文として順次出版している。研究計画の3年目としては十分以上の成果であり、当初の計画以上に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに開発した数値モデル群の改良と探査機観測による検証を引き続き行う。課題Aでは、前年度までに火星大気組成進化モデルと太陽高エネルギー粒子(SEP)降り込みモジュールを開発し、現在および過去の火星大気条件下においてH2COとその炭素同位体の光化学生成や、SEP降り込みによる大気組成変化の見積りに成功した。今後は、SEP降り込みが火星の水素流出率や大気組成の長期変遷に及ぼす影響を調査する。また、開発した数値モデルを検証すべく、SEPイベント時における火星探査機TGOの分光観測データ、MAVENの分光・粒子観測データ等との比較検証を進める。火星熱圏-外圏全粒子DSMCモデルに大気微量成分の計算を組み込むべく、動的負荷分散技法OhHelpの実装を進め、並列化効率と計算効率の更なる向上を図るとともに、コード間結合フレームワークCoToCoAを用いて大気組成進化モデルとの連成計算を行う。火星探査機MMXが観測予定の流出イオンのデータ解析に備えるべく、イオン観測データから外圏大気の分布をリトリーバルする手法をさらに高度化するとともに、火星多流体MHDモデルにC+とN+の流出過程を組み込む。さらに流体力学的散逸モデルに、大気組成進化モデルから得られた中層・下層大気の組成分布を組み込む改良を進める。課題Bでは、前年度までに開発した初期火星大気圏-水圏-氷圏結合モデルに、大気組成進化モデルから得られたH2COとその炭素同位体の光化学生成を組み込んだ計算を実行し、初期火星におけるH2COとその炭素同位体の堆積分布を見積る。そして室内合成実験によって得られた合成効率を組み合わせて、初期火星における糖などの生命材料分子の生成量と生成地域の定量的な見積りを行う。
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