2019 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、応募者が開発してきたマントルの熱対流の2次元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。特に今年度は、昨年度に開発した2次元円環領域内マントル対流シミュレーションプログラムを用いて、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、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がマントルの熱対流の構造に与える影響を調査した。2次元箱型形状モデルを用いて実施した従来のシミュレーションによれば、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ているが、2次元円環領域モデルでは「深部成層圏」の発達が抑制されることが分かった。さらに詳細な解析を進めた結果、2次元円環形状モデルではマントルの深部ほど「表面積」(実際には「円周」) が小さくなっていることがその原因であることが分かった。具体的には、表面積の小さいマントル深部で十分な熱流量を実現させるためにそこでの鉛直方向の温度勾配が急になり、それによって温度成層が不安定化した結果であると理解できる。この結果はより詳細な理論的考察と合わせ、論文として現在とりまとめを進めている。
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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に加え、2次元円環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次元形状の影響を効率よく調査するためのシミュレーションの実施に向けて、3次元軸対球殻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、今年度に使用してきた2次元円環形状モデルをさらに活用し、円環の「厚み」を変化させてシミュレーションを実行し、「厚み」が異なる場合で結果を比較する。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。また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も併用し、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。その一方で、深さ方向に「1次元化」した半解析的な熱対流シミュレーションモデルも新たに開発し、理論的な側面からこの結果の解釈を深めることにも挑戦したい。
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 |
今年度に1台導入した計算機によって2次元形状モデルによるシミュレーションが極めて順調に進んだため、年度内にさらなる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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