2021 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding Thermal Evolution through Experimental Constraints on Conduction Properties in the Earth's Outer and Inner Core
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19H00716
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
太田 健二 東京工業大学, 理学院, 准教授 (20727218)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 正一 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60397023)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 地球中心核 / 鉄 / 熱伝導率 / 電気抵抗率 / 自己拡散係数 / ダイヤモンドアンビルセル / 二次イオン質量分析法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高温高圧環境の地球中心から地表へと向かう大きな熱流は外核とマントルの対流を誘起することにより、約40億年続くとされる地球ダイナモやプレート運動などのダイナミクスの原動力となる。熱伝導率や電気伝導度、粘性率などの輸送特性は地球内部の温度構造と熱進化、ダイナミクスを探るための基礎的な物理量だが、地球中心核の温度圧力条件での測定例は極めて少なく、その報告値には研究グループ間で大きな差異が生じている。
本研究の目的は、地球の核を構成する 鉄ー軽元素合金の液体、固体状態での熱輸送特性を実際の地球中心核の温度圧力条件における実験から制約することである。実験で得られる核構成物質の電気・ 熱伝導率、自己拡散係数から外核・内核の伝導と対流による熱輸送特性を明らかにし、初期地球温度とその冷却過程、内核の誕生時期とダイナミクスなどの地球 の熱進化に制約を与えることを目指す。 本課題の3本の柱は、1)放射光X線回折(XRD)測定実験によって選択配向評価を行った多結晶体hcp鉄(および鉄合金)の高温 高圧下その場電気・熱伝導率同時測定、2)二次イオン質量分析法(SIMS)を用いた鉄同位体比測定による、hcp鉄の高温高圧下自己拡散係数決定、3)サファイアカプセル封入法による鉄(および鉄合金)の溶融状態での伝導度測定である。これら3つのテーマを代表者、分担者、指導学生の計5名が主体的に取り組んだ。1)のテー マについては、六方最密充填構造の鉄の熱伝導率測定を180万気圧、3000ケルビンの条件まで測定することに成功した。2)のテーマでは、技術開発が完了し、高圧鉄試料内部の同位体比の測定を50万気圧までおこなった。3)のテーマでは、提案時とは異なる実験手法を新たに導入することで、当初の目標である地球コア条件での液体鉄の電気抵抗率の測定が実現した。すべての結果を投稿論文としてまとめている。
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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
本課題3年目である2021年度はCOVID-19による実験、出張の制限は引き続きあるものの、当初の計画どおりの結果が得られている。六方最密充填構造の鉄の熱伝導率測定を当初の目的である地球コア条件で決定することに成功し、Nature Physics誌へ結果を投稿することを準備している。液体鉄の電気抵抗率測定に関しては当初予定していたサファイアカプセル法に代わる手法を考案し、実践することで地球コアの条件での液体純鉄の電気抵抗率を測定することが可能となった。得られた結果はScienceへ投稿済みである。SIMSを用いた鉄の高圧下での自己拡散係数決定も技術開発の段階を終了し、実際に50万気圧までの実験データの取得が終わった。もう少しデータ数を増やした上で、結果をまとめる予定である。COVID19による昨年度の研究計画の遅れを取り戻し、課題申請時の目標設定の達成には至っているため、概ね順調な研究進捗であると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は課題の最終年度であるため、得られた成果の公表に最大のエフォートをさく。本課題の3本柱それぞれの実験結果を論文としてまとめ、学術雑誌へ投稿する。すでに得られた成果の大半は地球コアの主成分である純鉄に対するものである。今年度の実験としては、広く惑星コアの輸送特性を議論可能な鉄合金の組成を選びつつ、これまでに確立した実験手法を鉄合金に適応し、さらなるデータの収集にも務める。
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