Dynamics of multi layered solid-state convection of ice in the icy body

• Project/Area Number: 22K03700
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 木村 淳 大阪大学, 大学院理学研究科, 助教 (00536138)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 対流 / 氷天体 / 熱輸送 / 進化 / 衛星 / 氷 / 内部構造 / 大気 / 地形

Outline of Research at the Start

氷天体の多くは内部に海を持つことが分かり，そこでの生命発生の可能性も議論されている．しかしそれには海（液体）の有無だけでは不十分であり，物質的あるいは熱的な環境とその変化も理解することが不可欠だ．氷天体では中心の岩石核と水との相互作用で生成した様々な有機物が海や表層へと輸送される過程が重要だが，半径5000km級の巨大な氷天体では岩石核の上面に高圧結晶相の氷層が出現し，岩石核から上層への熱や物質の輸送を妨げる．本研究は，複数の固体相変化が起こる高圧氷多層系の流体計算を行うことでこの領域での輸送過程を定量評価し，生命材料物質の苗床である岩石核と物質進化の場である海や大気表層との繋がりを調べる．

Outline of Annual Research Achievements

大きな氷天体の内部で地下海と海底岩石とを隔てる高圧氷層の詳細なダイナミクスと輸送過程を数値的手法を用いて明らかにし，氷天体の進化に与える影響を評価するため，計画2年度目となる令和5年度（2023年度）は，前年度までに完成させたice I-IIIやIII-Vなどの2層高圧氷系の数値モデルを，実際の氷天体の内部進化に適用した．
具体的には木星衛星エウロパの地下海の厚さや温度の長期進化や，金属核の熱史の影響を定量的に評価した．エウロパは天体全体に占めるH2Oの体積比が小さいため，内部の岩石や金属の密度が高くその半径が小さい場合に高圧氷層が現れる．しかしその厚さは大きくなくice IIIを超えた高圧相は出現しないため，地下海が消滅した場合のice I-IIIの2層モデルを試行する好適な対象となる．氷の融点粘性率や潮汐加熱率が小さい場合には初期条件に依らず現在までに地下海は完全に固化し，上層のice Iと下層のice IIIの2層系となるが，その層（相）境界をなすClapeyron勾配（C勾配）がいかなる値をとっても地下海は二度と再形成しないことが分かった．また，さらに深部の岩石マントルや金属核の熱進化へ与える影響を調べた結果，高圧氷はマントルの粘性率よりも有意に小さいためにマントルや核の熱進化にはほとんど寄与しないことも分かった．これらの結果は国際学会（2023 Asia-Pacific Regional IAU Meeting）にて発表したほか，Planetary and Space Science誌に査読付き論文として出版した．
また，ice III-V-VIのような3層系の数値実験も開始した．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ice III-V系のような２層系モデルを構築した後，ice III-V-VIのような３層系への実験へと拡張することについては順調に進んでいる一方で，高圧氷層の内部で生じた溶融水の振る舞いについてのモデル化が若干遅れている．これは，2層系モデルが完成した時点で木星衛星エウロパの内部進化への実装を先行して行ったことと，申請時よりも性能の低い計算機を用いざるを得なかったことでパラメタスタディのために要した多数の計算に時間を要したためである．しかしこれは，論文執筆および出版までを達成したことに引き換えての遅れとも言えるため，計画全体で達成されるべき実績に大きな影響はないと考える．

Strategy for Future Research Activity

計画最終年度となる次年度は，ice III-V-VIのような３層系での数値実験への拡張を継続して進める一方で，高圧氷層内での融解水のダイナミクスをモデル化することに注力し，実際に高圧氷層が多層（相）を成す木星衛星ガニメデ内部への実装を目論む．高圧氷層が多層系を成す場合でも単一層として取り扱っていた従来の場合と比べて熱輸送率に有意な違いが生じる場合は，従来の熱輸送率に適切な係数を乗じるなどの修正を行い，進化の描像を見直す．物性の不定性や層厚，温度条件などの様々なパラメタ・サーチを行うことによって不定性を狭め，内部から大気表層への熱と物質の輸送効率を見直すことで，来たるべき2030年代の新たな木星系探査で実証する態勢を整える．

Research Products

• [Int'l Joint Research] German Aerospace Center(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Bern(スイス)
• [Int'l Joint Research] Instituto de Astrofisica de Andalucia(スペイン)
• [Int'l Joint Research] ESA, ESTEC(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Jet Propulsion Laboratory/Johns Hopkins University(米国)
• [Journal Article] Europa’s structural conditions for the existence of subsurface ocean and the absence of metallic core-driven magnetic field (2024)
  • Author(s): Kimura Jun
  • Journal Title: Planetary and Space Science Volume: 243 Pages: 105868-105868
  • DOI: 10.1016/j.pss.2024.105868
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A plasma irradiation system optimized for space weathering of solar system bodies (2023)
  • Author(s): Kimura Tomoki、Otsuki Misako、Kitano Tomohiro、Hoshino Ryo、Nakauchi Yusuke、Haganuma Shunsuke、Haganuma Ryu、Haganuma Tetsuo、Tsuchiya Fuminori、Tamagawa Toru、Hayato Asami、Kimura Jun、Terada Naoki、Usui Hideyuki、Nishino Masaki N.、Yokota Shoichiro、Miyake Yohei
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 75 Issue: 1 Pages: 150-150
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01900-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Separation of quasi-continuous and periodic components of lineament formation at the Belus ? Phoenix - Rhadamanthys Linea “triangle” on Europa (2023)
  • Author(s): Bradak Balazs、Kimura Jun、Gomez Christopher、Kereszturi Akos
  • Journal Title: Icarus Volume: 391 Pages: 115367-115367
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115367
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Europa’s structural conditions for the existence of subsurface ocean and the absence of metallic core-driven magnetic field (2023)
  • Author(s): Jun Kimura
  • Organizer: APRIM (Asia Pacific Regional IAU Meeting) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly (LAPYUTA) mission and exospheres of terrestrial exoplanets (2023)
  • Author(s): Shingo Kameda, Akifumi Nakayama, Fuminori Tsuchiya, Go Murakami, Atsushi Yamazaki, M. Kishida, Masahiro Ikoma, Masaki Kuwabara, Norio Narita, Takanori Kodama, Naoki Terada, Shin Toriumi, Yuta Notsu, Kosuke Namekata, Tomoki Kimura, Chihiro Tao, Ryoichi Koga, Jun Kimura, Masami Ouchi, Masaomi Tanaka, Kei Masunaga et al.
  • Organizer: Science with the Habitable Worlds Observatory and Beyond
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seismic observation on Titan with DragMet SEIS (2023)
  • Author(s): Taichi Kawamura, Satoshi Tanaka, Hiroaki Shiraishi, Takefumi Mitani, Hideki Murakami, Ryuhei Yamada, Shunichi Kamata, Jun Kimura, Hiroyuki Kurokawa, Kiwamu Nishida, Yasuhito Sekine, Takeshi Tsuji, Keisuke Onodera, Ralph Lorenz, Mark Panning
  • Organizer: Titan Through Time VI
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Ganymede Laser Altimeter (GALA) for the Jupiter Icy Moons Exploere (JUICE): Science Objectives (2023)
  • Author(s): Jun Kimura, Hauke Hussmann, Shunichi Kamata, Koji Matsumoto, Jurgen Oberst, Gregor Steinbrugge, Alexander Stark, Klaus Gwinner, Shoko Oshigami, Noriyuki Namiki, Kay Lingenauber, Keigo Enya, Kiyoshi Kuramoto, Sho Sasaki
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Ganymede Laser Altimeter (GALA) for the Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE): Performance model simulation (2023)
  • Author(s): Hiroshi Araki, Ko Ishibashi, Noriyuki Namiki, Hirotomo Noda, Masanori Kobayashi, Keigo Enya, Masanobu Ozaki, Takahide Mizuno, Yoshifumi Saito, Kazuyuki Touhara, Shoko Oshigami, Shingo Kashima, Jun Kimura, Gregor Steinbrugge, Alexander Stark, Christian Althaus, Simone Del Togno, Kay Lingenauber, Hauke Hussmann
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Ganymede Laser Altimeter (GALA) for the Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE): Overview and Japanese contribution (2023)
  • Author(s): Keigo Enya, Masanori Kobayashi, Jun Kimura, Hiroshi Araki, Hirotomo Noda, Noriyuki Namiki, Shoko Oshigami, Ko Ishibashi, Kazuyuki Touhara, Yoshifumi Saito, Kay Lingenauber, Reinald Kallenbach, Hauke Hussmann
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] he Ganymede Laser Altimeter (GALA) for the Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE): The backend optics (BEO) module and the Focal plane assembly (FPA) module (2023)
  • Author(s): Keidgo Enya, Masanori Kobayashi, Satoru Iwamura, Naofumi Fujishiro, Shingo Kashima, Hiroshi Araki, Hirotomo Noda, Noriyuki Namiki, Shoko Oshigami, Ko Ishibashi, Jun Kimura, Kazuyuki Touhara, Yoshifumi Saito, Christian Althaus, Simone del Togno, Lingenauber Kay, Reinald Kallenbach, Hauke Hussmann
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] putative model region for Wilson-cycles on icy satellites: Dione´s Wispy Terrain (2023)
  • Author(s): Balazs Bradak, Jun Kimura, Christopher Gomez, Roland Novak
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development status of the seismic observation system onboard the Titan landing mission DragonFly (2023)
  • Author(s): Satoshi Tanaka, Hiroaki Shiraishi, Takefumi Mitani, Taichi Kawamura, Hideki Murakami, Ryuhei Yamada, Shunichi Kamata, Jun Kimura, Hiroyuki Kurokawa, Kiwamu Nishida, Yasuhito Sekine, Takeshi Tsuji, Keisuke Onodera, Ralph Lorenz
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly (LAPYUTA) (2023)
  • Author(s): Fuminori Tsuchiya, Go Murakami, Atsushi Yamazaki, Shingo Kameda, Akifumi Nakayama, Masahiro Ikoma, Masaki Kuwabara, Norio Narita, Takanori Kodama, Naoki Terada, Shin Toriumi, Yuta Notsu, Kosuke Namekata, Tomoki Kimura, Chihiro Tao, Ryoichi Koga, Jun Kimura et al.
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガリレオ衛星の地上望遠鏡可視観測 (2023)
  • Author(s): 木村淳
  • Organizer: 京都産業大学神山天文台セミナー
  • Invited
• [Presentation] NASA土星衛星タイタン探査ミッションDragonflyの紹介 (2023)
  • Author(s): 小野寺圭祐，白石浩章，田中智，川村太一，三谷烈史，村上英記，山田竜平，鎌田俊一，木村淳，黒川宏之，西田究，関根康人，辻健，Ralph Lorenz
  • Organizer: 日本地震学会2023年度秋季年会
• [Presentation] LAPYUTA計画の検討状況 (2023)
  • Author(s): 土屋史紀，村上豪，山崎敦，木村智樹，古賀亮一，木村淳，垰千尋，益永圭，堺正太朗，中山陽史，亀田真吾，生駒大洋，成田憲保，鳥海森，鍵谷将人，吉岡和夫，桑原正輝，大内正己，田中雅臣，LAPYUTA検討チーム
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季年会
• [Presentation] エウロパ大気の地上望遠鏡可視観測による軽金属元素の探索 (2023)
  • Author(s): 木村 淳，鶴海達大，高木聖子，太田峻介，松尾太郎
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季年会
• [Presentation] 土星衛星タイタン離着陸探査計画ドラゴンフライに搭載する地震計パッケージの開発状況 (2023)
  • Author(s): 村上英記，白石浩章，田中智， 三谷烈史，川村太一， 小野寺圭祐， 山田竜平，鎌田俊一，木村淳，黒川宏之，西田究，関根康人，辻健，Ralph Lorenz
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季年会
• [Presentation] JUICE 搭載ガニメデレーザ高度計 (GALA)概要および軌道上初期チェックアウトの報告 (2023)
  • Author(s): 塩谷 圭吾，小林正規，木村淳，荒木博志，野田寛大，並木則行，押上祥子，東原和行，斎藤義文，フスマン ハウケ，GALAチーム
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季年会
• [Presentation] エウロパ大気における発光輝線の探索：地上望遠鏡による可視観測 (2023)
  • Author(s): 高木聖子，鶴海達大，木村淳，太田峻介，松尾太郎
  • Organizer: 第154回 SGEPSS総会および講演会
• [Presentation] 紫外線宇宙望遠鏡LAPYUTA計画 (2023)
  • Author(s): 土屋史紀，村上豪，山崎敦，亀田真吾，益永圭，堺正太朗，吉岡和夫，鍵谷将人，中山陽史，生駒大洋，桑原正輝，成田憲保，小玉貴則，寺田直樹，鳥海森，野津湧太，行方宏介，木村智樹，垰千尋，古賀亮一，木村淳，大内正己，田中雅臣，塩谷圭吾，LAPYUTA検討チーム
  • Organizer: 日本天文学会2023年度秋季年会
• [Presentation] ウロパ大気の地上望遠鏡可視近赤外観測による軽金属元素の探索 (2023)
  • Author(s): 鶴海達大，木村淳，高木聖子，濱田築，佐藤佑樹，太田峻介，松尾太郎
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
• [Presentation] 氷天体内部の多相固体氷層の対流ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 木村淳，有田直哉
  • Organizer: JpGU Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Ganymede Laser Altimeter (GALA) for the Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE): development of the FM receiver modules in Japan and project status (2022)
  • Author(s): Keigo Enya, Masanori Kobayashi, Jun Kimura, Hiroshi Araki, Noriyuki Namiki, Hirotomo Noda, Shoko Oshigami, Ko Ishibashi, Kazuyuki Touhara, Yoshifumi Saito, Kay Lingenauber, Reinald Kallenbach, Hauke Hussmann
  • Organizer: JpGU Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Titan's seismology with Dragonfly Geophysical and Meteological package (2022)
  • Author(s): Hiroaki Shiraishi, Satoshi Tanaka, Taichi Kawamura, Takefumi Mitani, Hideki Murakami, Ryuhei Yamada, Shunichi Kamata, Jun Kimura, Hiroyuki Kurokawa, Kiwamu Nishida, Yasuhito Sekine, Takeshi Tsuji, Keisuke Onodera, Ralph Lorenz
  • Organizer: JpGU Meeting 2022
  • Int'l Joint Research