2014 Fiscal Year Annual Research Report
地球型惑星のマントル進化：３次元球殻モデルを用いた系統的数値シミュレーション
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25287110
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小河 正基 東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (30194450)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳澤 孝寿 独立行政法人海洋研究開発機構, その他部局等, 研究員 (20359186)
宮腰 剛広 独立行政法人海洋研究開発機構, その他部局等, 研究員 (60435807)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | マントル進化 / 月 / スーパー地球 / マントル対流 / 火成活動 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、月や水星などの小型惑星のマントル進化の二次元および三次元数値シミュレーションと地球の10倍の質量を持つスーパー地球のマントル対流の二次元数値シミュレーションを行った。
まず惑星進化一般の二次元シミュレーションにより、（１）ある程度サイズの大きな惑星ではマントル湧昇流と火成活動の間にポジティブフィードバックがかかりマントルは強く撹拌均質化され火成活動は間欠的に起こるが、（２）月のような小さな惑星ではこのフィードバックがかからないためマントルは化学成層しており、またそのマントル進化はより大きな火星や地球とは本質的に異なるものとなる事を示した。さらにこの結果に基づき、月ではマグマオーシャンにより生成されたであろうマントルの不均質構造がその後も長く生き残るが、火星や地球などの大型の惑星ではマグマオーシャンの影響は惑星進化の初期にマントル対流の強い撹拌のため消されたであろう事を予測した。
また、マントル対流の三次元球殻モデルを開発し、小さなコアを持つマントル中の熱対流の性質を調べ、月ではコアやマントル深部にいくら熱源を入れてもマントルの平均温度はほとんど上昇せず、熱は煙突のような働きをするプルームを伝って外へ放出されることを見いだした。
さらにスーパー地球については、広範囲のパラメーター空間でシミュレーション行い、断熱圧縮の効果により厚いリソスフェアが発達し、また地球でホットスポットの火山活動などの原因となっている高温プルームは無視できる程度の微小なものしか形成されないことを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
我々の太陽系内の惑星に関しては、二次元モデルを用いた地球型惑星一般のマントル進化のモデルはほぼ完成し、また、本計画の最終目的である三次元球殻マントル進化モデルの構築に向けた第一歩として、月の熱対流の球殻モデルの構築も達成した。しかし、地球のマントル進化を解明する上で必須であるプレート運動を伴うマントル対流の三次元モデルの構築は、以下の今後の研究の推進方策のところで解説するように技術的な問題に直面しており、いまだに目処がたっていない。このため、進捗状況はやや遅れているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究から、地球などの大型の惑星にとってマントル湧昇流•火成活動フィードバックは本質的に重要な役割を果たしている事が二次元モデルから示唆されるが、この種のフィードバックは二次元モデルでは有効に働いても、三次元モデルではそれほど有効ではない事がしばしば起こる。そこで本年度は第一に三次元空間でこのフィードバックがどれほど有効かを明らかにする事を目的として、月の三次元球殻熱対流モデルに火成活動のモデルを組む込むことを目指す。
また、プレート運動の三次元モデル化における技術的困難の解消にも努める。本計画では、対流の速度場を計算する際に逐次近似法を用いているが、ここで使用しているマルチグリッド法という手法が計算不安定を起こす原因となっている。今年度は（１）このマルチグリッド法の改良あるいは（２）一部直接解法を応用したマルチグリッド法によりこの困難の解消を試みる。
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