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2018 Fiscal Year Annual Research Report

太陽系天体における水-氷相互作用

Planned Research

Project AreaAqua planetology
Project/Area Number 17H06456
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

関根 康人  東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (60431897)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 谷 篤史  神戸大学, 人間発達環境学研究科, 准教授 (10335333)
荒川 雅  九州大学, 理学研究院, 助教 (10610264)
野口 直樹  徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 助教 (50621760)
Project Period (FY) 2017-06-30 – 2022-03-31
Keywords惑星起源・進化 / 惑星探査 / 化学物理
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、火星や氷衛星の表面で起きることが予想される、光に駆動された化学反応や氷の変形流動といった物理化学過程を室内実験により定量化することを目的とする。次年度では、上記の環境を再現する実験装置群の構築、およびこれを使った研究の実施が主となる。(1)~(4)の実験についての装置設計・製作・研究実施を行った。
(1) 光化学/液相反応実験:高真空チャンバーとターボ分子ポンプ、冷凍機を用いた氷への紫外線・電子線照射実験装置を構築した。対象は、氷と硫黄化合物、塩化物の混合物であり、生成物を分光分析及び溶液分析した。結果を氷衛星表面物質と比較することで、実際の天体表面での物質進化過程を制約した。
(2) クラスター反応実験:構築した実験装置にレーザーを導入し、水和クラスターなどの光で駆動された化学反応を模擬する実験を行った。反応生成物は、既存の飛行時間型質量分析計で定量した。これらから、火星上での酸化物の生成過程の実験データを得た。
(3) 氷変形流動実験:構築した装置を用いて、高圧氷やクラスレートの塑性流動則を明らかにした。特に、氷天体の内部進化に重要となるメタンクラスレートについて、その自己拡散係数を測定、定式化した。
(4) 氷結晶・クラスレート実験:構築したクラスレート観察実験装置及びイメージング計測系を用いて、氷天体の内部海や氷地殻内での物質交換や、表層でのガス放出過程を制約した。特に、物質交換の平衡定数を明らかにすることで、内部海の溶存ガス種の組成の決定要因を明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

おおむね当初の予定に即して、実験装置群の設計・構築を行うことができ、これを用いた研究を始動している。光反応実験・液相実験については、すでに酸化物への微量元素の吸着実験を行い、火星探査データを解釈可能な結果を予定を上回るペースで得ている。一方、条件設定のためにメタンハイドレートの赤外分光測定を行った結果、当初予定していたものより常温測定では赤外吸収が弱いことがわかり、目的とするメタンハイドレートの拡散実験を行うためには、低温赤外分光測定用のクライオスタットを新規に導入する必要が生じたため、3ヶ月の遅延が生じた。ただし、遅延自体は致命的なものではなく、その後の計画で十分に遅延を取り戻せるものである。以上により、本研究が遂行する4つの実験装置全体としては、おおむね順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

令和1年以降は探査車Curiosity のデータから、初期火星の酸化状態を明らかにする。氷テクトニクスについては、様々な化学組成を持つ氷の変形流動則を調べ、表面組成に対する氷天体のテクトニクス様式を推定する。令和1年度以降は、ガリレオ探査機や、すばるなど地上望遠鏡による表面/噴出物の観測に基づき、エウロパなどのテクトニクスを推定する。(1)~(4)の実験についての具体的な研究推進方策は以下の通りである。
(1) 光化学/液相反応:表層水の反応実験は、光学フィルターを用いて酸化物に含まれる微量元素の光の波長依存性、酸素分圧依存性を調べる。生成物の分析については、B01 班の開発したSXTM も使用し、反応過程を明らかにする。
(2) クラスター反応:水クラスター中での化学反応過程の解明に取り組む。まず、水クラスターに着目する。電場により真空中に捕捉した水クラスターに、鉄イオンを含むクラスターを照射し、これら分子同士の反応を観測する。反応時間を変化させて生成物の収量を測定し、反応素過程を明らかにする。種々の酸化物や酸化剤、酸素分子の生成素過程を明らかにする。
(3) 氷変形流動:0.1 MPa 以下の低応力条件での氷の変形実験を実施する。純粋氷試料での実験が軌道に乗り始めたら、生成が予測される不純物粒子を試料に加える。実験後の不純物粒子の変質の評価や、塩素イオンの氷結晶中への取り込みの確認は、低温ラマン分光分析により行う。A03 班のモデルに実験データを提供し、氷天体の内部進化を議論する。
(4) 氷結晶・クラスレート:地下へ移送される化合物を添加し、氷やクラスレート形成のダイナミクスのその場観測を拡張していく。また、氷変形流動に合わせ、温度圧力条件がどのように変化するかをシミュレーションすることで、氷変形流動に伴う氷・クラスレートの形成・融解について明らかにする。

  • Research Products

    (56 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (6 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 7 results) Presentation (42 results) (of which Int'l Joint Research: 19 results,  Invited: 12 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Center for high pressure sci. and tech./Macau Univ of Tech and Sci(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Center for high pressure sci. and tech./Macau Univ of Tech and Sci
  • [Int'l Joint Research] NASA JPL/Penn State Univ./Caltech(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      NASA JPL/Penn State Univ./Caltech
    • # of Other Institutions
      2
  • [Int'l Joint Research] National Univ of Mongolia(モンゴル)

    • Country Name
      MONGOLIA
    • Counterpart Institution
      National Univ of Mongolia
  • [Int'l Joint Research] Univ of Nantes(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      Univ of Nantes
  • [Int'l Joint Research] Univ Libre de Bruxelles(ベルギー)

    • Country Name
      BELGIUM
    • Counterpart Institution
      Univ Libre de Bruxelles
  • [Int'l Joint Research]

    • # of Other Countries
      2
  • [Journal Article] The role of electronegativity on the extent of nitridation of group 5 metals as revealed by reactions of tantalum cluster cations with ammonia molecules2018

    • Author(s)
      M. Arakawa, K. Ando, S. Fujimoto, S. Mishra, G. Naresh Patwari, and A. Terasaki
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 20 Pages: 13972-13982

    • DOI

      10.1039/C8CP00424B

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Freezing of micrometer-sized liquid droplets of pure water evaporatively cooled in a vacuum2018

    • Author(s)
      K. Ando, M. Arakawa, and A. Terasaki
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 20 Pages: 28435-28444

    • DOI

      10.1039/C8CP05955A

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Depositional processes of impactites from the YAX-1 drill core in the Chicxulub impact structure inferred from vertical profiles of PDF orientations and grain size distributions of shocked quartz2018

    • Author(s)
      Chang, Y., K. Goto, Y. Sekine, E. Tajika
    • Journal Title

      Meteoritics and Planetary Science

      Volume: 53 Pages: 1323-1340

    • DOI

      10.1111/maps.13082

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Experimental study of heterogeneous organic chemistry induced by far ultraviolet light: Implications for growth of organic aerosols by CH3 addition in the atmospheres of Titan and early Earth2018

    • Author(s)
      Hong, P., Y. Sekine, T. Sasamori, S. Sugita
    • Journal Title

      Icarus

      Volume: 307 Pages: 25-39

    • DOI

      10.1016/j.icarus.2018.02.019

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] An experimental study on impact-induced alterations of planetary organic simulants2018

    • Author(s)
      Sekine, Y., K. Kodama, T. Kobayashi, S. Obata, Y. Chang, N. O. Ogawa, Y. Takano, N. Ohkouchi, K. Saiki, T. Sekine
    • Journal Title

      Meteoritics and Planetary Science

      Volume: 53 Pages: 1267-1282

    • DOI

      10.1111/maps.13075

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] マンガン酸化物と室内実験から示唆される初期火星の酸化的表層環境2018

    • Author(s)
      野田 夏実、今村 翔子、関根 康人、上杉 宋一郎、栗栖 美菜子、高橋 嘉夫、寺田 直樹、福士 圭介
    • Journal Title

      日本惑星科学会誌 遊星人

      Volume: 27 Pages: 138-146

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 火星における塩水による地形模様の形成に対する塩析出の役割2018

    • Author(s)
      今村 翔子、関根 康人、佐々木 猛智、前川 優
    • Journal Title

      日本惑星科学会誌 遊星人

      Volume: 27 Pages: 163-172

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] High-pressure synthesis of doped black phosphrous2019

    • Author(s)
      Naoki Noguchi, Yuki Fujii, Takahiro Saitoh and Hidekazu Okamura
    • Organizer
      MISASA 2019 & CMC "Origin, Evolution & Dynamics of the Earth & Planetary Interior", Blanc Art Misasa, Misasa, Tottori, Japan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] What makes chemical dichotomy between Jupiter’s and Saturn’s satellites?2019

    • Author(s)
      Y. Sekine, S. Tan, Y. Aoyama, M. Ikoma, T. Tanigawa
    • Organizer
      The 20th Symposium on Planetary Sciences, Tohoku University, Sendai, Miyagi, Japan
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 木星氷衛星探査JUICE: JUICE-Japanで狙うサイエンス2019

    • Author(s)
      関根康人、齋藤義文、浅村和史、塩谷圭吾、笠井康子、笠羽康正、春山純一、松岡彩子、JUICE-Japanチーム
    • Organizer
      第19回宇宙科学シンポジウム、宇宙航空研究開発機構、相模原市、神奈川県
  • [Presentation] Effect of the Atmospherically Attenuated Solar Spectrum at the Surface for Acidification of Surface Water on Early Mars2019

    • Author(s)
      Tabata H., Sekine Y., Kanzaki Y., Sugita S
    • Organizer
      The 50th Lunar and Planetary Science Conference, The Woodlands Waterway Marriott Hotel and Convention Center, The Woodlands, Texas, USA
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sulfate reduction under hydrothermal condition in Europa’s ocean2019

    • Author(s)
      Tan S., Sekine Y., Shibuya T., Miyamoto C. & Takahashi Y.
    • Organizer
      The 1st international workshop for Aquaplanetology , Tokyo Institute of Technology, Meguro, Tokyo, Japan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The Role of Salt Precipitation for Morphological Features Due to Brine Flow on Mars2019

    • Author(s)
      Imamura S., Sekine Y., Maekawa Y., Sasaki T.
    • Organizer
      The 50th Lunar and Planetary Science Conference, Lunar and Planetary Institute, Houston, Texas, USA
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Groundwater hydrology and water-rock reactions around Gale Crater on early Mars.2019

    • Author(s)
      Noda N., Sekine Y., Tan S., Shibuya S. & Genda H.
    • Organizer
      The 20th Symposium on Planetary Sciences, Tohoku University, Sendai, Miyagi, Japan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Groundwater Upwelling into a Gale Crater Lake on Early Mars: A Source of Silica and Ferrous Iron2019

    • Author(s)
      Noda N., Sekine Y., Tan S., Shibuya S. & Genda H.
    • Organizer
      The 50th Lunar and Planetary Science Conference, The Woodlands Waterway Marriott Hotel and Convention Center, The Woodlands, Texas, USA
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dark Streak Features in Mongolia: Implications for formation mechanisms of Recurring Slope Lineae on Mars2019

    • Author(s)
      Nakamura M., Sekine Y., Fukushi K., Hasebe N., Davaadorj D., Takahashi Y., Hasegawa H., Ogura T., Morida K.
    • Organizer
      The 1st international workshop for Aquaplanetology , Tokyo Institute of Technology, Meguro, Tokyo, Japan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dark Streak Features in Mongolia as Terrestrial Analogues of Recurrent Slope Lineae on Mars2019

    • Author(s)
      Nakamura M., Sekine Y., Fukushi K., Hasebe N., Davaadorj D., Takahashi Y., Hasegawa H., Ogura T., Morida K.
    • Organizer
      The 50th Lunar and Planetary Science Conference, The Woodlands Waterway Marriott Hotel and Convention Center, The Woodlands, Texas, USA
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 低温高圧下におけるメタンハイドレートの赤外分光測定2018

    • Author(s)
      野口 直樹, 米澤 拓也, 横井 優, 徳永 友貴, 森脇 太郎, 池本 夕佳, 岡村 英一
    • Organizer
      第29回光物性研究会論文集、京都大学、宇治市、京都府
  • [Presentation] 高圧下における高圧氷VI相の水素拡散係数の測定2018

    • Author(s)
      米澤 拓也, 野口 直樹, 岡村 英一
    • Organizer
      第58回高圧討論会、名古屋大学、名古屋市、愛知県
  • [Presentation] メタンハイドレートの低温高圧下での赤外分光測定2018

    • Author(s)
      野口 直樹, 米澤 拓也, 横井 優, 徳永 友貴, 森脇 太郎, 池本 夕佳, 岡村 英一
    • Organizer
      第58回高圧討論会、名古屋大学、名古屋市、愛知県
  • [Presentation] The origin of bulk-nitride composition of group 5 metals as revealed by nitridation of tantalum cluster cations by ammonia molecules2018

    • Author(s)
      M. Arakawa, G. Naresh Patwari, and A. Terasaki
    • Organizer
      International Congress on Pure & Applied Chemistry Langkawi (ICPAC Langkawi 2018), Bayview Hotel Langkawi, Langkawi, Malaysia
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Successive nitridation of tantalum cluster cations by ammonia molecules: The origin of bulk-nitride composition of group 5 metals2018

    • Author(s)
      M. Arakawa, G. Naresh Patwari, and A. Terasaki
    • Organizer
      19th International Symposium on Small Particles and Inorganic Cluster (ISSPIC XIX), Hangzhou International Conference Center, Hangzhou, China
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Application of cluster chemistry to astrochemistry: Molecular evolution involving mineral clusters2018

    • Author(s)
      M. Arakawa
    • Organizer
      Kaleidoscope: A Discussion Meeting in Chemistry, The International Centre Goa, Goa, India
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nitridation mechanism of tantalum cluster cations by ammonia molecules: contrast to other group 5 metals2018

    • Author(s)
      M. Arakawa, G. Naresh Patwari, and A. Terasaki
    • Organizer
      Gas Phase Model Systems for Catalysis - GPMC 2018, University of Ulm, Ulm, Baden-Wurttemberg, Germany
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Reaction of silicate clusters related to chemistry in the interstellar environment2018

    • Author(s)
      M. Arakawa
    • Organizer
      International Symposium on Molecular Science -Physical Chemistry/Theoretical Chemistry, Chemoinformatics, Computational Chemistry, Nihon University, Funabashi, Chiba, Japan
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 一酸化炭素による鉄族元素クラスターと水素分子との反応の促進2018

    • Author(s)
      荒川雅, 岡田大知, 藤本周平, 寺嵜亨
    • Organizer
      第12回分子科学討論会、福岡国際会議場、福岡市、福岡県
  • [Presentation] 太陽系探査とアストロバイオロジー ー地上観測との連携ー2018

    • Author(s)
      関根康人
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 2018年大会、幕張メッセ、千葉市、千葉県
    • Invited
  • [Presentation] Impact-induced alterations of planetary organic and ice simulants2018

    • Author(s)
      Y. Sekine , K. Kodama , S. Obata , Y. Chang, T. Kobayashi , N. O. Ogawa , Y. Takano , N. Ohkouchi , K. Saiki , T. Sekine
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合 2018年大会、幕張メッセ、千葉市、千葉県
  • [Presentation] Water chemistry on early Ceres Its implications for planetary formation2018

    • Author(s)
      Y. Sekine, T. Shibuya
    • Organizer
      Asia Oceania Geosciences Society 15th Annual Meeting, Hawaii Convention Centre, Honolulu, Hawaii
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] What makes chemical diversity among ExoOceans in the Solar system?2018

    • Author(s)
      Y. Sekine
    • Organizer
      ISSI Workshop on Exooceans, International Space Science Institute, Bern, Switzerland
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Fate of sulfate in Europa’s ocean: hydrothermal reactions, experimental insights, and implications for future missions2018

    • Author(s)
      Y. Sekine, S. Tan, T. Shibuya, C. Miyamoto, Y. Takahashi
    • Organizer
      COSPAR meeting 2018, Pasadena Convention Center, Pasadena, California, USA
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 太陽系における水-岩石相互作用: 太陽系形成と生命生存可能性に迫る2018

    • Author(s)
      関根康人、福士圭介、渋谷岳造、高橋嘉夫
    • Organizer
      日本地球化学会第65回年会、琉球大学、中頭郡、沖縄県
    • Invited
  • [Presentation] 太陽系探査とアストロバイオロジー ー地上観測との連携ー2018

    • Author(s)
      関根康人
    • Organizer
      ALMA Workshop [Connecting Solar System and Protoplanetary Disks with ALMA]、国立天文台、三鷹市、東京都
    • Invited
  • [Presentation] 中性pHにおけるFe2+光酸化反応の実験的研究:初期火星の表層酸性化イベントに対する示唆2018

    • Author(s)
      田畑陽久, 関根康人, 菅崎良貴, 杉田精司, 村上隆
    • Organizer
      第2回水惑星学全体会議、神戸大学、神戸市、兵庫県
  • [Presentation] An experimental study of sulfate reduction in hydrothermal environments within Europa2018

    • Author(s)
      Tan S., Sekine Y., Shibuya T., Miyamoto C. & Takahashi Y.
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2018年大会、幕張メッセ、千葉市、千葉県
  • [Presentation] The role of hydrothermal reactions in determining the fate of sulfate in Europa’s ocean2018

    • Author(s)
      Tan S., Sekine Y., Shibuya T., Miyamoto C. & Takahashi Y.
    • Organizer
      Asia Oceania Geosciences Society 15th Annual Meeting, Hawaii Convention Centre, Honolulu, Hawaii
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The role of sulfate reduction for the sulfur cycles in Europa’s ocean2018

    • Author(s)
      丹秀也、関根康人、渋谷岳造、宮本千尋、高橋嘉夫
    • Organizer
      第6回衛星系研究会、東京工業大学、目黒区、東京都
  • [Presentation] 室内実験から探るエウロパ表層環境の物質進化2018

    • Author(s)
      丹秀也、関根康人
    • Organizer
      第2回水惑星学全体会議、神戸大学、神戸市、兵庫県
  • [Presentation] エウロパ内部海における熱水硫酸還元反応: 表層物質観測への示唆2018

    • Author(s)
      丹秀也、関根康人、渋谷岳造、宮本千尋、高橋嘉夫、佐川英夫
    • Organizer
      ALMA Workshop [Connecting Solar System and Protoplanetary Disks with ALMA]、国立天文台、三鷹市、東京都
  • [Presentation] Ganymede's volume expansion in the intermediate stage : Clues to temperature change and phase change of ices.2018

    • Author(s)
      Yoda M., Kimura J., Kurita K.
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2018年大会、幕張メッセ、千葉市、千葉県
  • [Presentation] Volume Expansion of Ganymede due to Temperature Change and Phase Change of Ices2018

    • Author(s)
      Yoda M., Kimura J., Sekine Y., Kurita K.
    • Organizer
      Cryovolcanism in the Solar System Workshop 2018, Lunar and Planetary Institute, Houston, Texas, USA
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bright Materialsから読み解くCeresの内部進化と噴出活動2018

    • Author(s)
      依田優大、関根康人
    • Organizer
      第2回水惑星学全体会議、神戸大学、神戸市、兵庫県
  • [Presentation] THE ROLE OF SALT PRECIPITATION FOR BRINE FLOW MECHANISM ON MARS.2018

    • Author(s)
      Imamura S., Sekine Y., Sasaki T.
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2018年大会、幕張メッセ、千葉市、千葉県
  • [Presentation] 火星表層を流れる塩水の流跡パターンの多様性に対する塩析出と粘性の役割2018

    • Author(s)
      今村翔子、関根康人、前川優、佐々木猛智
    • Organizer
      日本惑星科学会2018年秋季講演会、 旭川市科学館サイパル、旭川市、北海道
  • [Presentation] 水循環シミュレーションと室内実験による初期火星Galeクレータ古湖周辺の水循環および水-岩石反応の復元2018

    • Author(s)
      野田夏実、 関根康人、 丹秀也、 渋谷岳造、 玄田英典
    • Organizer
      日本地球化学会第65回年会、琉球大学、中頭郡、沖縄県
  • [Presentation] 水循環シミュレーションと室内実験による初期火星Galeクレータ古湖周辺の水循環および水-岩石反応の復元2018

    • Author(s)
      野田夏実、 関根康人、 丹秀也、 渋谷岳造、 玄田英典
    • Organizer
      日本惑星科学会2018年秋季講演会、京都産業大学、京都市、京都府
  • [Presentation] Subsaline Lakes in Southern Mongolia: A Terresttial Analog Study for Lacustrine Environments and Chloride Depositions on Early Mars2018

    • Author(s)
      Chida T., Sekine Y., Fukushi K., Matsumiya H., Solongo T., Hasebe N., Davaadorj J.
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2018年大会、幕張メッセ、千葉市、千葉県
  • [Presentation] 初期火星における化学風化の評価に向けた実験的・地質学的研究2018

    • Author(s)
      中村麻也、関根康人、福士圭介、渋谷岳造、長谷部徳子、ダバドルジジャハナ、高橋 嘉夫
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2018年大会、幕張メッセ、千葉市、千葉県
  • [Presentation] 火星Recurrent Slope Lineaeの地球アナログフィールドの発見:モンゴル南西部、半乾燥地域急斜面上筋模様2018

    • Author(s)
      中村麻也、関根康人、福士圭介、長谷部徳子、ダバドルジジャハナ、高橋 嘉夫、長谷川精
    • Organizer
      日本惑星科学会2018年秋季講演会、京都産業大学、京都市、京都府
  • [Remarks] 新学術領域研究「水惑星学の創成」

    • URL

      http://www.aquaplanetology.jp/

URL: 

Published: 2021-01-27  

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