Influence of stellar spectra on the evolution of planetary atmospheres

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K03695
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 堺 正太朗 東北大学, 理学研究科, 助教 (30801336)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 系外惑星 / 火星 / 金星 / XUVスペクトル / 大気散逸

Outline of Annual Research Achievements

「恒星型 (恒星スペクトル) の違いにより大気は保持されるのか、それともされないのか」という学術的問いに答えることを目的とし、数値計算、特に3次元多成分電磁流体力学 (REPPU-Planets) モデルを用いて様々な恒星環境下での惑星上層大気構造及び大気散逸機構を明らかにする。
比較的低XUV環境下なHD85512系及びGJ581系に火星型惑星を配置し、REPPU-Planetsにて計算を行った。XUV放射照度やスペクトル型、更には大気密度が各イオン種の大気散逸率に顕著に影響を与えることが本計算から理解され始めた。これらの成果はJpGUや天文学会で口頭発表され、現在論文準備中である。
本年度は、火星型惑星に加えて金星型惑星に関しても研究を行った。これは、比較的活発な恒星環境下では火星型惑星だと流体的散逸が卓越し、非熱的散逸の影響を評価できないためである。ハビタブルゾーンを持つM型星を周回するTOI-700 d (金星型)からの大気散逸の、XUV強度及び惑星間磁場の角度依存性について調査した。非磁化惑星では、現在太陽XUVの30倍を超えると大気は数十億年で失う一方で、赤道表面で1000 nT以上の固有磁場を持つ惑星では大気散逸を抑制し、強XUV環境下での大気保持に重要な役割を果たすことがわかった。これらの成果はすでに論文出版済みである (Nishioka et al., 2023)。
本年度は更に、M型星周回地球型惑星の熱的散逸の研究を行った。前主系列M型星周回地球型惑星のH2O支配大気に1次元光化学モデルを適用したところ、効率的なH2O再生反応とO2による紫外線遮蔽によって、水の損失が抑制されることがわかった。M型星周辺のハビタブルゾーンにある地球型惑星は、これまで推定されていたよりも地表に水を保持している可能性が高いことを示唆している。これらの結果はAGUで口頭発表された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度はXUVスペクトル型に加えて、惑星サイズの大気散逸への影響についても、金星型惑星及び地球型惑星を用いて検証を実施した。数値計算を実施し、XUVと惑星固有磁場が大気進化に与える影響及び、地球型惑星の地表での水の存在量について明らかにした。一方で、比較的低XUV環境下なHD85512系及びGJ581系に関する研究に関しては、当初なら本年度末までに論文出版を予定していたが、モデルの不具合が見つかったこと、その修正に時間を要していること、更に再計算時間に数週間程度かかることが理由で、現在までに論文出版に至っていない。これらの問題に関して、解決には向かっており、現在論文の投稿準備を行っているものの、進捗状況としては「やや遅れている」とした。

Strategy for Future Research Activity

次年度はまず、比較的低XUV環境下なHD85512系及びGJ581系に関する研究の論文化を優先的に進める。XUVスペクトル型の影響を単純に比較するために、HD85512系及びGJ581系に加えて太陽XUVの10倍程度においても数値計算を実施し、それらの違いまでの議論を論文に含める。その後、当初では、様々なXUVスペクトル環境下での火星型惑星の大気進化についてを調査する予定であったが、強XUV環境では火星型惑星は流体力学的散逸が卓越し、非熱的散逸の影響を正しく評価できないことがわかったため、やや惑星サイズが大きい地球サイズの惑星を用いて研究を推進する。まずは、XUV環境の違う地球型惑星の大気散逸について、XUV強度変化と恒星風の影響を数値計算を用いて調べ、論文化を目指す。更に、余裕があれば、HD85512系及びGJ581系についても検証を行い、地球型及び火星型惑星での大気散逸・大気進化への影響を明らかにし、惑星の大気保持に関しての体系的な理解を目指す。

Causes of Carryover

当初予定していた旅費としては使用できたものの、昨今の情勢から海外出張費が高騰しており、今年度も1回から2回海外出張することを考えると、多めの助成金を請求したいためである。

Research Products

• [Int'l Joint Research] LASP, University of Colorado, Boulder(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: LASP, University of Colorado, Boulder
• [Int'l Joint Research] LATMOS/CNRS, Sorbonne University(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: LATMOS/CNRS, Sorbonne University
• [Journal Article] Study of Atmospheric Ion Escape From Exoplanet TOI‐700 d: Venus Analogs (2023)
  • Author(s): Nishioka T.、Seki K.、Sakata R.、Yamamoto K.、Terada N.、Sakai S.、Shinagawa H.、Nakayama A.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 128 Pages: e2023JA031405
  • DOI: 10.1029/2023JA031405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photochemical and radiation transport model for extensive use (PROTEUS) (2023)
  • Author(s): Nakamura Yuki、Terada Naoki、Koyama Shungo、Yoshida Tatsuya、Karyu Hiroki、Terada Kaori、Kuroda Takeshi、Kamada Arihiro、Murata Isao、Sakai Shotaro、Suzuki Yuhei、Kobayashi Mirai、Leblanc Francois
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 75 Pages: 140
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01881-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Numerical Prediction of Changes in Atmospheric Chemical Compositions During a Solar Energetic Particle Event on Mars (2023)
  • Author(s): Nakamura Yuki、Leblanc Francois、Terada Naoki、Hiruba Sayano、Murata Isao、Nakagawa Hiromu、Sakai Shotaro、Aoki Shohei、Piccialli Arianna、Willame Yannick、Neary Lori、Vandaele Ann Carine、Murase Kiyoka、Kataoka Ryuho
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 128 Pages: e2022JA031250
  • DOI: 10.1029/2022JA031250
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of intrinsic and interplanetary magnetic fields on atmospheric escape from a Mars-like planet (2023)
  • Author(s): Sakai, S., R. Sakata, K. Seki, N. Terada, H. Shinagawa, T. Tanaka, and Y. Ebihara
  • Organizer: 2023 International Conference of Deep Space Sciences
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Major results from the Hisaki mission and future perspectives (2023)
  • Author(s): Tsuchiya, F., Y. Kasaba, I. Yoshikawa, G. Murakami, A. Yamazaki, K. Yoshioka, T. Kimura, C. Tao, R. Koga, H. Kita, K. Masunaga, M. Kagitani, S. Sakai, M. Kuwabara
  • Organizer: European Geoscience Union General Assebly 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A multifluid MHD study on three-dimensional Kelvin-Helmholtz instability at Mars (2023)
  • Author(s): Yan, M., T. Dang, J. Lei, B. Zhang, N. Terada, S. Sakai, F. Leblanc
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of stellar spectra on atmospheric escape from a Mars-like planet orbiting inactive low-mass stars (2023)
  • Author(s): Sakai, S., A. Nakayama, K. Seki, N. Terada, H. Shinagawa, R. Sakata, F. Leblanc, D. A. Brain, T. Tanaka
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of atmospheric ion escape from the exoplanet TOI-700 d (2023)
  • Author(s): Nishioka, T., K. Seki, R. Sakata, K. Yamamoto, N. Terada, S. Sakai, H. Shinagawa, A. Nakayama
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly (LAPYUTA) (2023)
  • Author(s): Tsuchiya, F., G. Murakami, A. Yamazaki, S. Kameda, M. Ikoma, N. Narita, T. Kimura, C. Tao, R. Koga, J. Kimura, M. Ouchi, M. Tanaka, K. Masunaga, S. Sakai, K. Yoshioka, M. Kagitani, M. Kuwabara, S. Toriumi
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on effects of an intrinsic magnetic field on ancient Mars with a new multifluid MHD model (2023)
  • Author(s): 坂田遼弥, 関華奈子, 堺正太朗, 品川裕之, 寺田直樹
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Three-dimensional simulation of the Martian diffuse auroral emission in the crustal magnetic field regions (2023)
  • Author(s): 中村勇貴, F. Leblanc, J. -C. Gerard, L. Sore, 寺田直樹, 中川広務, 堺正太朗, 村瀬清華, 片岡龍峰, D. A. Brain, 関華奈子
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 3次元磁気流体力学シミュレーションによる地磁気逆転時における地球から大気散逸率の評価 (2023)
  • Author(s): 前田優樹, 木村智樹, 徳重みなみ, 中田英太朗, 堺正太朗, 寺田直樹
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] LAPYUTAによる地球型惑星上層大気観測の科学検討 (2023)
  • Author(s): 益永圭, 堺正太朗, 青木翔平, 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 吉岡和夫, 木村智樹, 鍵谷将人, 古賀亮一, LAPYUTA WG
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Enhanced ion escape rate during IMF rotation under weak intrinsic magnetic field conditions on a Mars-like planet (2023)
  • Author(s): Sakai, S., K. Seki, N. Terada, H. Shinagawa, R. Sakata, T. Tanaka, Y. Ebihara
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society 20th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of an intrinsic magnetic field on ion escape from Mars based on newly developed multifluid MHD model simulations (2023)
  • Author(s): Sakata, R., K. Seki, N. Terada, S. Sakai, H. Shinagawa
  • Organizer: 37th URSI General Assembly and Scientific Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of atmospheric ion escape from exoplanet TOI-700 d (2023)
  • Author(s): Nishioka, T., K. Seki, R. Sakata, K. Yamamoto, N. Terada, S. Sakai, H. Shinagawa, A. Nakayama
  • Organizer: 37th URSI General Assembly and Scientific Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comprehensive comparison study of two global multi-species MHD models of Mars (2023)
  • Author(s): Sun, W., R. Sakata, Y. Ma, K. Seki, C. T. Russell, N. Terada, S. Sakai, H. Shinagawa
  • Organizer: MAVEN PSG Meeting w/ MUAN
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On periodic variations of the ion density in the Martian ionosphere during the dust storm in September 2016 (2023)
  • Author(s): Hara, T., K. Masunaga, N. Terada, S. Sakai, T. Osanai, K. Seki, C. M. Fowler, K. G. Hanley, J. P. McFadden, S. M. Curry
  • Organizer: MAVEN PSG Meeting w/ MUAN
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 紫外線宇宙望遠鏡 LAPYUTA 計画 (2023)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 亀田真吾, 益永圭, 堺正太朗, 吉岡和夫, 鍵谷将人, 中山陽史, 生駒大洋, 桑原正輝, 成田憲保, 小玉貴則, 寺田直樹, 鳥海森, 野津湧太, 行方宏介, 木村智樹, 垰千尋, 古賀亮一, 木村淳, 大内正己, 田中雅臣, 塩谷圭吾, LAPYUTA検討チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2023 年秋季年会
• [Presentation] 恒星 XUV スペクトルが及ぼす火星型惑星からの大気散逸への影響 (2023)
  • Author(s): 堺正太朗, 中山陽史, 関華奈子, 寺田直樹, 品川裕之, 坂田遼弥, F. Leblanc, D. Brain, 田中高史
  • Organizer: 日本天文学会 2023 年秋季年会
• [Presentation] Kelvin-Helmholtz instability at Mars by a newly-developed multifluid model (2023)
  • Author(s): Yan, M., J. Lei, 寺田直樹, B. Zhang, T. Dang, 堺正太朗, 坂田遼弥
  • Organizer: 第154回地球電磁気・地球惑星圏学会2023年秋季年会
• [Presentation] Comparison study of two global multispecies MHD models of Mars (2023)
  • Author(s): 坂田遼弥, W. Sun, Y. Ma, 関華奈子, C. T. Russell, 寺田直樹, 堺正太朗, 品川裕之
  • Organizer: 第154回地球電磁気・地球惑星圏学会2023年秋季年会
• [Presentation] Effects of stellar XUV spectra on atmospheric escape from a Mars-like planet orbiting inactive low-mass stars (2023)
  • Author(s): 堺正太朗, 中山陽史, 関華奈子, 寺田直樹, 品川裕之, 坂田遼弥, F. Leblanc, D. Brain, 田中高史
  • Organizer: 第154回地球電磁気・地球惑星圏学会2023年秋季年会
• [Presentation] LAPYUTA計画 (惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡) の検討状況 (2023)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 亀田真吾, 鍵谷将人, 木村智樹, 垰千尋, 古賀亮一, 木村淳, 益永圭, 堺正太朗, 吉岡和夫, 中山陽史, 生駒大洋, 桑原正輝, 成田憲保, 小玉貴則, 鳥海森, 大内正巳, 田中雅臣
  • Organizer: 第154回地球電磁気・地球惑星圏学会2023年秋季年会
• [Presentation] 系外惑星TOI-700 dからの電離大気散逸の研究: 金星アナログ (2023)
  • Author(s): 西岡知輝, 関華奈子, 山本和弘, 坂田遼弥, 堺正太朗, 寺田直樹, 品川裕之, 中山陽史
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季講演会
• [Presentation] Study of atmospheric ion escape from exoplanet TOI-700 d: Venus analogs (2023)
  • Author(s): Nishioka, T., K. Seki, R. Sakata, K. Yamamoto, S. Sakai, N. Terada, H. Shinagawa, A. Nakayama
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of an intrinsic magnetic field on ion escape from ancient Mars based on MAESTRO global MHD simulations (2023)
  • Author(s): Sakata, R., K. Seki, N. Terada, S. Sakai, H. Shinagawa
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Which star-planet combinations lead to atmospheric retention? (2023)
  • Author(s): Brain, D. A., M. Chaffin, Z. Berta-Thompson, J. -Y. Chaufray, O. Cohen, T. Cravens, H. Egan, K. France, Y. Futaana, A. Glocer, M. Holmstrom, R. Jarvinen, L. M. Kistler, R. Kopparapu, F. Leblanc, Y. Ma, D. R. Marsh, A. W. Merkel, W. K. Peterson, R. Ramstad, S. Sakai, et al.
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comprehensive comparison of two global multi-species MHD models of Mars (2023)
  • Author(s): Sun, W., R. Sakata, Y. Ma, K. Seki, C. T. Russell, N. Terada, S. Sakai, H. Shinagawa
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On the periodic variation of the ion density in the Martian dayside ionosphere during the regional dust storm (2023)
  • Author(s): Hara, T., K. Masunaga, N. Terada, S. Sakai, K. Seki, C. M. Fowler, K. G. Hanley, J. P. McFadden, S. Curry
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impacts of solar energetic particles on the atmospheric composition on present-day Mars (2023)
  • Author(s): Nakamura, Y., F. Leblanc, N. Terada, S. Hiruba, I. Murata, H. Nakagawa, S. Sakai, S. Aoki, A. Piccialli, Y. Willame, L. Neary, A. C. Vandaele, K. Murase, R. Kataoka, K. Seki
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New estimates of the water loss rate on terrestrial planets in the runaway greenhouse phase around M dwarfs (2023)
  • Author(s): Kawamura, Y., T. Yoshida, N. Terada, Y. Nakamura, S. Koyama, H. Karyu
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of the XUV spectra on ion escape from a Mars-like planet orbiting inactive low-mass stars (2023)
  • Author(s): 堺正太朗, 中山陽史, 関華奈子, 寺田直樹, 品川裕之, 坂田遼弥, F. Leblanc, D. A. Brain, 田中高史
  • Organizer: 第25回惑星圏研究会
• [Presentation] Reduced water loss by photochemical reaction on terrestrial planets in the runaway greenhouse phase around pre-main-sequence M dwarfs (2023)
  • Author(s): 川村陽, 吉田辰哉, 寺田直樹, 中村勇貴, 小山俊吾, 狩生宏喜, 寺田香織, 堺正太朗
  • Organizer: 第25回惑星圏研究会
• [Presentation] 太陽光エネルギー粒子の降り込みが初期火星大気長期進化に与える影響 (2023)
  • Author(s): 中村勇貴, 関華奈子, 中山陽史, 堺正太朗
  • Organizer: 第25回惑星圏研究会
• [Presentation] Simulation study of carbon and nitrogen ion escape at Mars (2023)
  • Author(s): 坂田遼弥, 関華奈子, 寺田直樹, 堺正太朗, 品川裕之
  • Organizer: 第25回惑星圏研究会