衝突脱ガス水蒸気大気の分子組成と水素散逸効率の推定

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23340168
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 杉田 精司 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (80313203)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 橘 省吾 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (50361564) ; 関根 康人 東京大学, 新領域創成科学研究科, 講師 (60431897) ; 阿部 豊 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (90192468)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2014-03-31
• Keywords: 天体衝突 / 初期地球大気 / 触媒反応 / 衝突蒸気雲 / ユゴニオ曲線 / 高速衝突実験

Research Abstract

今年度は、衝突蒸気雲の断熱過程における化学反応を記載する基本的な理論モデルを作ることが来たことが最大の成果である。まず、その前提となるレーザー照射実験および２段式軽ガス銃の実験のデータを順調に取得できたことが重要である。このデータと前年度に導出した理論式を用いることにより、衝突速度の関数として様々な物質に対して衝撃エントロピー増率を正確に求められるようになった。計算の結果は、エントロピーが一定であれば、CHO系の比較的低分子量の化学反応システムにおいては、クエンチ温度に強く依存せずに分子組成がほぼ一定となることを示していた。その一方で、分子組成は、エントロピーに強く依存することが判明した。この結果は、衝突脱ガス大気の分子組成は、既存の大気圧に強く依存せず、衝突天体の速度によって制御されることを示している。したがって、惑星の質量および衝突天体の源との重力ポテンシャル差が、その惑星が持つ大気の分子組成を決めることとなる。具体的には、集積期の火星にはメタンに富む大気が生成されるのに対し、スーパーアースや後期重撃期中の地球にはH2+CO中心の大気が生成される。このような大きく異なる分子組成を持つ同元素組成大気は、有機物生成効率や温室効果などが大きく異なることが知られている。具体的にはメタンに富む大気は、有機物生成効率および温室効果の両方が高いのに対し、H2+CO中心の大気は有機物生成効率および温室効果が低い上に水素の宇宙空間への散逸効率が高く、比較的短期間で酸化的な大気組成に変質してしまう可能性がある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

高速衝突実験および理論計算の両面で、本研究課題の中心テーマである衝突脱ガス大気の化学組成に関する本質的な理解の進展が得られており、順調な進展状況であると評価して良いと考えている。

Strategy for Future Research Activity

衝突脱ガス現象による大気生成は、複数ある地球型惑星大気の供給プロセスの中の１つでしかない。しかし、この近年のマグマオーシャンの理論計算およびマントル深部の高圧実験からは、地球のように大きな惑星のマントルは形成後の非常に早い時期において酸化的になってしまい、メタンのような還元ガスを発生させることができないことを示唆する結果が得られつつある。特にこの１，２年には、その傾向が顕著である。その結果としては、本研究計画が目指しているような衝突脱ガスによる還元ガスの生成過程に関する研究に競合相手が急速に参入してくる危険性が十分あると考えるべきである。そのような状況になる前に、成果を論文にまとめることが急務であると考えている。

Research Products

• [Journal Article] Oxidation of carbon compounds by silica-derived oxygen within impact-induced vapor plumes (2013)
  • Author(s): Ishibashi, K., S. Ohno, S. Sugita, T. Kadono, and T. Matsui
  • Journal Title: Earth Planets Sp Volume: 65 Pages: 811-822
  • DOI: 10.5047/eps.2012.12.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Viscoelastic deformation of lunar impact basins: Implications for heterogeneity in the deep crustal paleo-thermal state and radioactive element concentration (2013)
  • Author(s): Kamata, S., S. Sugita, Y. Abe, Y. Ishihara, Y. Harada, T. Morota, N. Namiki, T. Iwata, H. Hanada, H. Araki, K. Matsumoto, E. Tajika
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 118 Pages: 398–415
  • DOI: doi:10.1002/jgre.20056
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of Martian Dust Sample Capture toward Mars Aero-flyby Sample Collection Mission (2013)
  • Author(s): Ozawa, T., T. Suzuki, K. Okudaira, T. Mikouchi, K. Kurosawa, H. Takayanagi, S. Sugita, and K. Fujita
  • Journal Title: Transaction of Japanese Society of Aeronautical Space Sciences Volume: 10 Pages: 11-17
  • DOI: doi.org/10.2322/tastj.10.Pk_11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laboratory experiments on crater scaling-law for sedimentary rocks in the strength regime (2012)
  • Author(s): Suzuki, A., S. Hakura, T. Hamura, M. Hattori, R. Hayama, T. Ikeda, H. Kusuno, H. Kuwahara, Y. Muto, K. Nagaki, R. Niimi, Y. Ogata, T. Okamoto, T. Sasamori, C. Sekigawa, T. Yoshihara, S. Hasegawa, K. Kurosawa, T. Kadono, A. M. Nakamura, S. Sugita, and M. Arakawa
  • Journal Title: J. Geophys. Res Volume: 117 Pages: E08012
  • DOI: 10.1029/2012JE004064
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new spectral calculation scheme for long-term deformation of Maxwellian planetary bodies (2012)
  • Author(s): Kamata, S., S. Sugita, and Y. Abe
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 117 Pages: 17
  • DOI: 10.1029/2011JE003945
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bayesian Spectral Deconvolution with Exchange Monte Carlo Method (2012)
  • Author(s): Nagata, K., S. Sugita, M. Okada
  • Journal Title: Neural Networks Volume: 28 Pages: 82-89
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Position-Dependent Behavior of Piezoelectric Lead–Zirconate–Titanate Cosmic Dust Detector, (2012)
  • Author(s): Hattori, M., M. Kobayashi, T. Miyachi, T. Takechi, O. Okudaira, T. Iwai, and S. Sugita
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 51 Pages: 1 - 4
  • DOI: doi:110.1143/JJAP.51.098004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The nature of shock-induced calcite (CaCO3) devolatilization in an open system investigated using a two-stage light gas gun (2012)
  • Author(s): Kurosawa, K., S. Ohno, S. Sugita, T. Mieno, T. Matsui, S. Hasegawa
  • Journal Title: Earth Planetary Science Letters Volume: 337-338 Pages: 68-76
  • DOI: doi:10.1016/j.epsl.2012.05.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Young mare volcanism in the Orientale region contemporary with the Procellarum KREEP Terrane (PKT) volcanism peak period ~2 billion years ago (2012)
  • Author(s): Cho, Y., T. Morota, J. Haruyama, M. Yasui, N. Hirata, S. Sugita
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 39 Pages: 1-5
  • DOI: doi:10.1029/2012GL051838
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shock-induced silicate vaporization: The role of electrons (2012)
  • Author(s): Kurosawa, K., T. Kadono, S. Sugita, K. Shigemori, T. Sakaiya, Y. Hironaka, N. Ozaki, A. Shiroshita, Y. Cho, S. Tachibana, T. Vinci, S. Ohno, R. Kodama, and T. Matsui
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 117 Pages: 1-14
  • DOI: doi:10.1029/2011JE004031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Semi-Analytical On-Hugoniot EOS of Condensed Matter using a Up-Us relation (2012)
  • Author(s): Sugita, S., K. Kurosawa, and T. Kadono
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1426 Pages: 895-898
  • DOI: doi: 10.1063/1.3686422
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-resolved spectroscopic observations of shock-induced silicate ionization (2012)
  • Author(s): Kurosawa, K., T. Kadono, S. Sugita, K. Shigemori, Y. Hironaka, N. Ozaki, T. Sakaiya, A. Shiroshita, Y. Cho, S. Fujioka, S. Tachibana, T. Vinci, S. Ohno, R. Kodama, T. Matsui
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1426 Pages: 855-858.
  • DOI: doi: 10.1063/1.3686412
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flyer acceleration by high-power laser and impact experiments at velocities higher than 10 km/s (2012)
  • Author(s): Kadono, T., T. Sakaiya, Y. Hironaka, T. Watari, K. Otani, T. Sano, T. Fujiwara, T. Mochiyama, M. Arakawa, S. Takasawa, A.M. Nakamura, K. Kurosawa, T. Hamura, S. Ohno, S. Sugita, et al.
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1426 Pages: 847-850
  • DOI: doi: 10.1063/1.3686410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct measurement of chemical composition of SOx in impact vapor using a laser gun (2012)
  • Author(s): Ohno, S. , T. Kadono, K. Kurosawa, T. Hamura, T. Sakaiya, S. Sugita, K. Shigemori, Y. Hironaka, T. Watari , and T. Matsui
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1426 Pages: 851-854
  • DOI: doi: 10.1063/1.3686411
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development of an in-situ K-Ar isochron dating method using LIBS-QMS configuration (2013)
  • Author(s): Cho, Y., Y. N. Miura, and S. Sugita
  • Organizer: 44th Lunar and Planetary Science Conference
  • Place of Presentation: The Woodlands, Texas,USA
  • Year and Date: 20130318-20130322
• [Presentation] Entropy gain for shock-heated forsterite: Implications for atmospheric blow-off on the early Earth and Venus (2013)
  • Author(s): Kurosawa K., T. Kadono, Y. Hironaka, K. Hamano, K. Shigemori, T. Sakaiya, T. Sano, S. Ohno, T. Sekine, N. Ozaki, R. Kodama, S. Tachibana, T. Matsui, and S. Sugita
  • Organizer: 44th Lunar and Planetary Science Conference
  • Place of Presentation: The Woodlands, Texas,USA
  • Year and Date: 20130318-20130322
• [Presentation] Direct gas analysis experiment of impact-vaporized carbonaceous chondrites (2013)
  • Author(s): Ohno, S., T. Sakaiya, T. Kadono, K. Kurosawa, H. Yabuta, K. Shigemori, Y. Hironaka, H. Kuwahara, S. Sugita, T. Kondo, T. Yamanaka, and T. Matsui
  • Organizer: 44th Lunar and Planetary Science Conference
  • Place of Presentation: The Woodlands, Texas,USA
  • Year and Date: 20130318-20130322
• [Presentation] Science observation strategy for HAYABUSA-2 optical navigation cameras (ONC) (2013)
  • Author(s): Sugita, S., T. Morota, S. Kameda, R. Honda, C. Honda, and Hayabusa-2 ONC Science Team
  • Organizer: 44th Lunar and Planetary Science Conference
  • Place of Presentation: The Woodlands, Texas,USA
  • Year and Date: 20130318-20130322
• [Presentation] Visible spectroscopic observation of asteroid 162173 (1999 JU3) with the GEMINI-S telescope (2013)
  • Author(s): Sugita, S., D. Kuroda, S. Kameda, S. Hasegawa, S. Kamata, T. Hiroi, M. Abe, M. Ishiguro, N. Takato, and M. Yoshikawa
  • Organizer: 44th Lunar and Planetary Science Conference
  • Place of Presentation: The Woodlands, Texas,USA
  • Year and Date: 20130318-20130322
• [Presentation] Methane-rich impact-induced atmospheres on Mars and Post-accretion Earth (2013)
  • Author(s): Kuwahara, H. and S. Sugita
  • Organizer: 44th Lunar and Planetary Science Conference
  • Place of Presentation: The Woodlands, Texas,USA
  • Year and Date: 20130318-20130322
• [Presentation] Highly degraded early pre-Nectarian impact basins: Implications for the timing of the magma ocean solidification (2013)
  • Author(s): Kamata, S., S. Sugita, Y. Abe, Y. Ishihara, Y. Harada, N. Namiki, T. Iwata, H. Hanada, H. Araki, K. Matsumoto, and E. Tajika
  • Organizer: 44th Lunar and Planetary Science Conference
  • Place of Presentation: The Woodlands, Texas,USA
  • Year and Date: 20130318-20130322