2018 Fiscal Year Research-status Report
Numerical experiments of mantle convection of extrasolar terrestrial planets
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18K03724
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
亀山 真典 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (70344299)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 太陽系外地球型惑星 / スーパー地球 / マントル対流 / 数値シミュレーション / 断熱圧縮 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多様な地球型惑星のマントルダイナミクスの整合的な理解を進める第一歩として、本年度は応募者が開発してきた2次元箱型領域におけるマントルの熱対流シミュレーションプログラムを使用して、対流の様式に影響を及ぼすと期待されるいくつかのパラメータの値を系統的に変化させて数値シミュレーションを実施した。その際、大きな地球型惑星のマントル内部でとりわけ重要となるマントル物質の圧縮性の効果に特に注目してパラメータ値の選定と解析を行った。
まず第1に、地球と同じ平均組成を持ちながら、質量の異なる地球型惑星を対象としたマントルの熱対流シミュレーションを実施し、断熱圧縮の効果が顕著となる惑星質量の最小値を推定した。その結果、地球質量と比べて約4倍以上の質量をもつ地球型惑星では断熱圧縮がマントルの対流様式に大きく影響を及ぼし、圧縮性の効果を無視した場合と比べてリソスフェアが非常に厚く発達することに加え、マントル深部からの高温の上昇流の活動が著しく弱まることを見出した。なおこの成果は雑誌 Earth, Planets and Space に論文として発表済みである。
第2に、地球の10倍の質量を持つ「スーパー地球」のマントル内に期待される圧縮性の強さを前提とし、(i) 熱伝導率や粘性率といったマントル物質の物性やその空間変化、および (ii) 放射性元素の崩壊によるマントル内部での発熱がマントルの熱対流の構造に与える影響を調査した。(i) のシミュレーションにより、熱伝導率の深さ依存性が十分強く、かつマントルの浅部と深部での粘性率のコントラストが十分に大きい場合には、「深部成層圏」とでもいうべき温度の安定成層で特徴づけられる構造がマントルの最深部に発達することが分かった。また (ii) のシミュレーションにより、マントル内部での発熱は前述の「深部成層圏」の発達を促進する効果があることも分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2次元箱型形状モデルを用いたシミュレーションが順調に進んでいる。これにより広大なパラメータ空間の網羅的な調査の第一歩となる、マントル物質の物性の効果や惑星の大きさの効果を検討するためのシミュレーションが当初の計画通りに実施できている。また次の段階として、「対流容器」たるマントルの3次元形状の影響を調査するための予察的なシミュレーションの実施に向けて、2次元円環形状モデルの整備も滞りなく進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
第1に、2次元形状モデルを用いたシミュレーションを今後も継続的に実施する。特に、これまで主に使用してきた2次元箱型形状モデルに加えて2次元円環形状モデルを用いたシミュレーションを実行し、両者で結果を比較する。これによりマントル物質の物性や圧縮性が対流様式に及ぼす効果が、「対流容器」たるマントルの形状によってどう影響されるかを検討する。 なお場合によっては、軸対称性を仮定することで「2次元化」した球殻形状モデルを新たに開発することも見込んでいる。このモデルを開発することには、マントルの形状の効果を3次元空間に外挿した場合の効果を見積ることに加え、マントル深部からの上昇プルームのダイナミクスに関するシミュレーション研究の実施も念頭に置いている。
さらに次の段階では3次元モデルを用いて、ターゲットを具体的に絞ってシミュレーションを実施する。ここでは先の2次元モデルを用いたパラメータ探索の結果を利用し、地球と似たマントル対流が発現すると見込まれる条件を用いたシミュレーションを主に想定している。ただし、場合によっては実際に発見されている太陽系外地球型惑星を想定したシミュレーションにより、「その地球型惑星は本当に生命を宿すのか?」という問いへの答を優先することも想定している。
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| Causes of Carryover |
2次元形状モデルによるシミュレーションが順調に進んだため、年度内に新たな計算機資源を追加で導入する必要がなくなった。これによって生じた次年度使用額と翌年度分を合わせた額により、当初の想定よりも高度な計算機資源の導入や研究支援者の雇用を計画している。
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