2020 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、昨年度に新たに開発した2次元軸対称球殻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。その結果、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、これまで開発・活用してきた2次元箱型形状モデルや2次元円環領域内モデルと同様に、「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ものの、2次元軸対称球殻領域モデルではその発達が著しく抑制されることが分かった。この結果は、「まるい」容器の形状の効果が3次元モデルの場合にいっそう強く表われたことが原因であると理解できる。これと並行して、一昨年度に開発した2次元円環領域内シミュレーションプログラムにより、従来よりも広汎なパラメータ範囲にわたるシミュレーションを実施したところ、熱伝導率の深さ依存性とマントルの浅部と深部での粘性率のコントラストのどちらか一方のみが十分に大きい場合では、「深部成層圏」が発生しないことが分かった。これら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や2次元軸対称球殻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。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が完了し、理論的な側面からこの結果の解釈を深めることができている。
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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や3次元軸対称球殻モデルをさらに活用し、マントルの「厚み」や圧縮性の効果の強さといった、地球型惑星の「サイズ」の効果を代表するパラメータを変化させてシミュレーションを実行する。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」たるマントルの大きさや形状によってどう影響されるかを検討する。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による理論的な検討も合わせ、スーパー地球のマントル対流のより整合的な理解へつなげる。
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| Causes of Carryover |
昨年度末頃から深刻化した「コロナ禍」により、参加・成果の発表を行う予定であった学会・研究会が全てオンライン化されたことなどにより、予定していた出張が全て取りやめになってしまったことの影響が大きい。ただしその分を計算機資源の増強などに充てることができ、2次元部分円環領域モデルや2次元軸対称球殻モデルを用いたシミュレーションの推進に大きく役立った。次年度も「コロナ禍」の状況が大きく変化することがないと見込まれることから、当初計画よりも高度な計算機資源を追加することや成果の論文化の加速、さらに学術論文のオープンアクセス化に要する経費として使用することを計画している。
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