2022 Fiscal Year Research-status Report
Numerical experiments of mantle convection of massive terrestrial planets: roles of interactions between adiabatic compression and changes in physical properties
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22K03702
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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) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 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 |
太陽系外巨大地球型惑星のマントルダイナミクスの理解に向けて、今年度は対象とする惑星のサイズを段階的に変えながらマントル対流の数値シミュレーションを実施した。数値シミュレーションモデルとして、2次元箱型あるいは2次元半円環領域をとり、非弾性流体近似 (TALA) のもとでの圧縮性流体の熱対流を考える。流体の粘性率は温度に依存するとし、内部熱源はないものとする。本研究では、地球サイズから最大で地球の10倍の質量をもつスーパー地球をモデル化の対象とするが、考える惑星サイズの増加に合わせて、熱対流のレイリー数や断熱圧縮の効果の強さ、さらにはマントル内部における熱力学量 (熱膨張率・基準密度) の分布も変化するようにしてある。シミュレーションの結果、惑星サイズが増加するとともに、断熱圧縮の影響がマントルの熱対流により強く表われることが確認できた。例えば、惑星サイズが大きくなるほど、そのマントル最深部から上昇する高温のプルームの活発さが失われる様子が観察されたが、このことは断熱温度変化によって流体塊の上下方向の運動が妨げられた結果と理解できる。その一方で、表面の高粘性の低温熱境界層の内部における大局的な歪速度は、惑星サイズによらずほぼ同程度の大きさになっていることも分かった。さらに対流容器の「まるい」効果を加えるとマントル内部の冷却が進み、低温熱境界層の厚みが増していくことも考慮すると、「地球より大きな地球型惑星だから」といってスーパー地球でプレートテクトニクスが起こりやすくなるとは考えにくいと結論づけられる。現在はこの成果を論文へとりまとめる作業を進めている。
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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。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに開発・活用してきた2次元数値シミュレーションモデルを主に用いることにより、巨大地球型惑星のマントル対流の様相に影響を及ぼすと期待される要素に注目した数値シミュレーションを実施する。具体的には惑星サイズだけでなく、粘性率や熱伝導率といった物性量の変化や (放射性元素の崩壊や潮汐などによる) 内部発熱の効果を調査することを計画している。
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| Causes of Carryover |
業務の都合により、現地参加を予定していた学会・研究会への参加を取り止めたり、あるいはオンライン参加への変更を余儀なくされ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、そのことが2次元部分円環領域モデルや2次元箱型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。発生した次年度使用額は今年度の経費と組み合わせて、当初計画分より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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Research Products
(5 results)
