2015 Fiscal Year Annual Research Report
対流するマントルと外核を一つの系として扱う新しい数値シミュレーションモデルの開発
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26610144
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
吉田 晶樹 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球深部ダイナミクス研究分野, 主任研究員 (00371716)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | マントル / コア / 外核 / 熱対流 / 二層対流 / 数値シミュレーション / 粘性率 / 熱膨張係数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成26年度に開発した「マントル・外核統合系熱対流シミュレーションプログラム」を用いて、粘性率が桁で異なる二層を持つ二次元球殻内の熱対流の数値シミュレーションを実施した。球殻外側の高粘性率層（HVL）と球殻内側の低粘性率層（LVL）のプラントル数は両方とも無限大とし、その粘性率比は最大1000とした。
その結果、HVLとLVLの粘性比が桁で増加すると、LVLの対流速度はその有効レーリー数の増加にしたがって増加するが、HVLのヌッセルト数と対流速度は一定値に漸近することがわかった。このことは、二層の境界の熱流量がHVLとLVLのカップリングによって制限されていることを意味する。この原因は、HVLとLVLの粘性比が桁で増加しても、二層の境界のLVL側の熱境界層の厚さが境界層理論から期待される厚さよりも厚く、また、HVL側の熱境界層の厚さがHVLとLVLの粘性率比に依存しないことによる。
また、粘性率が桁で異なる二層対流系の結合（カップリング）様式がマントルと外核の粘性率比を大きくするにつれて、力学的結合（粘性結合）から熱的結合に遷移することが、境界近傍の温度場と応力場の直接的な解析によって確認された。
以上の結論を実際の地球に当てはめると、マントルの対流がコア・マントル境界（CMB）での外核からマントルへの熱流量を規定し、その結果として、マントル対流が地球の熱輸送効率を規定していることになる。これまでの地球の熱収支モデルに基づく理論的計算から、地球の熱史はマントルと外核の対流運動によって担われて、固体地球の外側にある粘性率が極めて大きなマントルの対流運動が、主体的に外核の対流運動を支配していると一般的に考えられていたが、この考えを定量的に実証した研究はなく、その物理メカニズムもよく分かっていなかった。本研究のシミュレーション結果によりこれらの理解が進展したと考える。
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[Presentation] 大陸移動と沈み込み帯2015
Author(s)
吉田 晶樹
Organizer
地震研究所共同利用研究集会:「沈み込み帯」
Place of Presentation
東京大学地震研究所, 東京都文京区
Year and Date
2015-05-30
Invited
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