太陽高エネルギー粒子が火星大気の微量成分組成に与える影響の解明

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22KJ0280
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中村 勇貴 東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Keywords: 火星 / 光化学反応 / 太陽高エネルギー粒子 / 数値シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

太陽高エネルギー粒子（SEP）が惑星大気に降り込んだ際の大気組成の変化については、これまで地球の大気を除いてほとんど理解されてこなかった。本研究は、太陽高エネルギー粒子（SEP）の降り込みが現在および過去の火星大気組成に与える影響について、数値シミュレーション（SEP輸送モデルPTRIPと汎用光化学モデルPROTEUS(Nakamura, Y., Terada, N. et al., 2023, EPSP））を用いて解明することを目的としている。
SEPが火星大気に降り込んだ際に駆動される反応系について、大気電離からクラスターイオン反応、中性化学反応に至るまでの503個の反応を網羅的にPROTEUSに実装し、PTRIPと組み合わせて現在の火星大気にSEPが降り込んだ際の大気組成の変動を見積もった。その結果、SEPイベント時にHOx密度が増大し、その結果オゾン密度が減少する可能性を初めて示唆した。年に１回の頻度で発生するSEPイベントがオゾン密度を75%減少させる可能性があり、これは火星周回探査機TGOに搭載されている分光器NOMADによる観測で検出可能であることが示唆された（Nakamura, Y., Leblanc, F. et al., 2023, JGR）。
また、約40億年前の初期火星大気におけるSEPの影響についても研究を拡張した。太陽活動が現在より活発でSEPイベントが持続的に発生していた40億年前の火星大気において、SEPによる大気電離が引き起こす水分子の解離率が太陽紫外線による光解離率を凌駕した可能性があることを示唆した。SEPによる水分子解離か生じるHOxが、初期火星大気中の一酸化炭素と水素分子の密度に1-2桁程度の変動をもたらす可能性があることを示唆した。この研究成果について、国際学術誌への投稿準備を進めている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ソルボンヌ大学(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: ソルボンヌ大学
• [Int'l Joint Research] ベルギー王立宇宙航空研究所/リエージュ大学(ベルギー)
  • Country Name: BELGIUM
  • Counterpart Institution: ベルギー王立宇宙航空研究所/リエージュ大学
• [Int'l Joint Research] コロラド大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: コロラド大学
• [Journal Article] Simulation of Dawn‐To‐Dusk Electric Field in the Jovian Inner Magnetosphere via Region 2‐Like Field‐Aligned Current (2023)
  • Author(s): Nakamura Yuki、Terada Koichiro、Tao Chihiro、Terada Naoki、Kasaba Yasumasa、Leblanc Francois、Kita Hajime、Nakamizo Aoi、Yoshikawa Akimasa、Ohtani Shinichi、Tsuchiya Fuminori、Kagitani Masato、Sakanoi Takeshi、Murakami Go、Yoshioka Kazuo、Kimura Tomoki、Yamazaki Atsushi、Yoshikawa Ichiro
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 128 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2022JA031248
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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: -
  • 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: -
  • DOI: 10.1029/2022JA031250
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Impacts of Solar Energetic Particles on the Atmospheric Composition on Present-day Mars (2024)
  • 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, and K. Seki
  • Organizer: AGU Fall meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 太陽高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 (2024)
  • Author(s): 中村勇貴, 関華奈子, 堺正太朗, 寺田直樹
  • Organizer: 惑星圏シンポジウム
• [Presentation] Three-dimensional simulation of the Martian diffuse auroral emission in the crustal magnetic field regions (2023)
  • Author(s): Nakamura, Y., F. Lablanc, J.-C. Gerard, L. Soret, N. Terada, H. Nakagawa, S. Sakai, K. Murase, R. Kataoka, D.A. Brain, and K. Seki
  • Organizer: JpGU meeting 2023
• [Presentation] Numerical prediction of the ozone depletion in the Martian atmosphere during solar energetic particle events (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, and R. Kataoka
  • Organizer: JpGU meeting 2023
• [Presentation] 太陽高エネルギー粒子が火星大気に与える影響 (2023)
  • Author(s): 中村勇貴
  • Organizer: 中間圏・熱圏・電離圏 (MTI) 研究集会
  • Invited