Revealing the evolution of water budget of habitable planets by atmospheric chemistry and escape calculation

• Project Area: A Paradigm Shift by a New Integrated Theory of Star Formation: Exploring the Expanding Frontier of Habitable Planetary Systems in Our Galaxy
• Project/Area Number: 19H05072
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 黒川 宏之 東京工業大学, 地球生命研究所, 特任助教 (80713643)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 地球型惑星 / 水量 / 大気化学 / 大気散逸 / 惑星起源・進化 / 系外惑星 / ハビタビリティ / 海

Outline of Research at the Start

昨今、地球のように海を湛え生命を育む惑星(ハビタブル惑星)の発見への期待が高まっている。いっとき液体の水を保持する惑星として誕生した天体でも、形成以後の進化過程によっては容易にそのハビタビリティを喪失してしまう。惑星表層の水は大気中で水素と酸素に光解離し、軽い水素は上層大気へ輸送され宇宙空間へ流出していく。本研究の目的は、地球型惑星の水量進化を解明し、ハビタブル惑星の表層環境が長期間維持される条件を解明することである。当該領域が推進する銀河進化・星惑星形成の理論研究・観測と連携することで、銀河系における場所・時間の関数としてのハビタブル惑星の存在確率の解明に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，地球型惑星の水量進化を解明し，ハビタブル惑星の表層環境が長期間維持される条件を解明することであった．具体的には，主星からの紫外線照射が引き起こす水(水素)の宇宙空間への流出(大気散逸)率の恒星スペクトル型・軌道長半径・惑星サイズ・初期大気組成への依存性を理論的に調べることで，惑星の表層水量・大気組成の時間進化を明らかにする，というものである．研究実施計画に基づき，大気化学モデルの計算コードを開発し，現在の地球・火星の大気に適用することでモデルの妥当性を確認した．その後，系外惑星へとモデルを適用することで，中心星タイプやバルク大気組成，境界条件(地表面酸化)に応じた水量進化を理論的に明らかにした．

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Probabilistic Approach to Determination of Ceres' Average Surface Composition From Dawn Visible‐Infrared Mapping Spectrometer and Gamma Ray and Neutron Detector Data (2020)
  • Author(s): Kurokawa H.、Ehlmann B. L.、De Sanctis M. C.、Lap?tre M. G. A.、Usui T.、Stein N. T.、Prettyman T. H.、Raponi A.、Ciarniello M.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Planets Volume: 125 Issue: 12
  • DOI: 10.1029/2020je006606
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Loss and Fractionation of Noble Gas Isotopes and Moderately Volatile Elements from Planetary Embryos and Early Venus, Earth and Mars (2020)
  • Author(s): Lammer Helmut、Scherf Manuel、Kurokawa Hiroyuki、Ueno Yuichiro、Burger Christoph、Maindl Thomas、Johnstone Colin P.、Leizinger Martin、Benedikt Markus、Fossati Luca、Kislyakova Kristina G.、Marty Bernard、Avice Guillaume、Fegley Bruce、Odert Petra
  • Journal Title: Space Science Reviews Volume: 216 Issue: 4 Pages: 74-74
  • DOI: 10.1007/s11214-020-00701-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influences of protoplanet-induced three-dimensional gas flow on pebble accretion (2020)
  • Author(s): Kuwahara Ayumu、Kurokawa Hiroyuki
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 643 Pages: A21-A21
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202039153
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influences of protoplanet-induced three-dimensional gas flow on pebble accretion (2020)
  • Author(s): Kuwahara Ayumu、Kurokawa Hiroyuki
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 633 Pages: A81-A81
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201936842
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 惑星系の形成と進化 (2019)
  • Author(s): 黒川 宏之
  • Journal Title: 遊星人 Volume: 28(4) Pages: 266-276
  • NAID: 130007845692
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 一酸化炭素主体の大気を持つ地球型惑星の表層環境 (2021)
  • Author(s): 青木 紘介
  • Organizer: 惑星圏研究会
• [Presentation] 一酸化炭素に富んだ大気を持つ地球型惑星の表層環境 (2020)
  • Author(s): 青木 紘介
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] 大気化学・散逸計算によるハビタブル惑星の水量進化の解明 (2020)
  • Author(s): 黒川 宏之
  • Organizer: 新学術領域「星惑星形成」大研究会2020
• [Presentation] Origin of nitrogen in Earth's mantle constrained by models for partitioning and cycling (2020)
  • Author(s): Kurokawa, H.
  • Organizer: Europlanet Science Congress 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of CO on carbon-silicate cycle and on surface environmental evolution of terrestrial planets (2020)
  • Author(s): Aoki, K.
  • Organizer: JPGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evoliution of planetary water: The perspective on planet formation and material transport in the Solar System (2020)
  • Author(s): Kurokawa, H., Sakuraba, H., Shibuya, T., Sekine, Y., Ehlmann, B. L., Usui, F.
  • Organizer: The 21st Symposium on Planetary Sciences
  • Invited
• [Presentation] Paleo-aqueous environments of volatile-rich asteroids (2020)
  • Author(s): Kurokawa, H., Shibuya, T., Sekine, Y., Ehlmann, B. L., Usui, F.
  • Organizer: Challenging the Perceptions of the Requirements for Life on Earth and Other Worlds
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 揮発性元素に富んだ小惑星の赤外スペクトルモデルと観測の比較 (2019)
  • Author(s): 黒川 宏之
  • Organizer: 第3回水惑星学全体会議
• [Presentation] Modeling of infrared reflectance spectra of volatile-rich asteroids (2019)
  • Author(s): Kurokawa, H., Shibuya, T., Sekine, Y., and Ehlmann, B. L.
  • Organizer: Asteroid Science in the Age of Hayabusa2 and OSIRIS-REx
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 惑星系の形成と進化 (2019)
  • Author(s): 黒川 宏之
  • Organizer: 日本惑星科学会 2019年秋季講演会
  • Invited
• [Presentation] Hydrodynamic effects on the accretion of gas and dust onto protoplanetary cores (2019)
  • Author(s): Kurokawa, H., Kuwahara, A., and Okuzumi, S.
  • Organizer: EPSC-DPS Joint Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Icy pebble accretion onto terrestrial planets: the effect of gas flow (2019)
  • Author(s): 黒川 宏之, 桑原 歩, 奥住 聡
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2019年大会
• [Presentation] A forward modeling of infrared reflectance spectra of asteroids (2019)
  • Author(s): 黒川 宏之, 渋谷 岳造, 関根 康人, Ehlmann, B. L.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2019年大会
• [Presentation] The climate and redox state of early Mars: insights from isotopes (2019)
  • Author(s): Kurokawa, H.
  • Organizer: EGU General Assembly 2019
  • Int'l Joint Research