2016 Fiscal Year Annual Research Report
地磁気データで明らかにする核－マントル結合の時空間変動
Publicly Offered Research
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
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| Project/Area Number |
16H01116
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
松島 政貴 東京工業大学, 理学院, 助教 (20242266)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 地磁気永年変化 / 核－マントル結合 / 地球ダイナモ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地磁気を生成・維持しているダイナモ作用は外核内の流れで起きている。核－マントル境界における下降流および内核境界における上昇流の空間的組み合わせは外核内の流れのスケールやパターンを決める。流れのパターンは磁場生成過程に影響するので、地磁気の分布や永年変化にその影響が現れる。つまり、核－マントル結合の時空間変動の情報は、外核内の流れの時空間変動に含まれている。そして、外核内の流れの情報は地磁気データに含まれている。そこで、地磁気モデルを用いて外核内の流れを求める。そして、推定された外核内の流れの空間分布および時間変動から核－マントル結合の時空間変動を明らかにする。
まず、外核内の流れを推定するための地磁気モデルを整備した。CHAOS-5では球面調和関数の展開次数とし20次まで、GRIMM-3では18次まで扱うことができる。しかしながら、高次の磁場を核－マントル表面まで下方接続すると短波長成分が過度に強調されてしまうことがわかった。そのため、14次までの展開での地磁気モデルを使用することとした。
Matsushima (2015) の手法では、地磁気永年変化に対して核－マントル境界の粘性境界層内部における磁気拡散の影響を取り入れている。粘性境界層の下部では流れの水平成分が地衡流であるという制約、つまり赤道を南北に横切る流れはないという非常に強い制約が課されている。より精度の高い流れを推定するためには、この制約を緩める必要がある。そこで、コリオリ力だけではなく、ローレンツ力の影響も取り入れることにより、流れの推定方法を改良した。地磁気モデルCOV-OBS.x1を使用して磁気地衡流という改良された制約で外核内の流れを計算した。その結果、得られた流れによる地磁気永年変化と地磁気モデルのものとの相関の上昇が見られ、流れの推定方法が改良されたことが確認された。
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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
平成28年度では、外核内の流れを推定するために使用する地磁気モデルを整備すること、外核内の流れの推定方法を改良すること、そしてその方法で外核内の流れを計算することを計画した。
より短波長の流れの構造を得るためにはより詳細な地磁気モデルが望まれる。そこで、CHAOS-5 や GRIMM-3 という地球磁場観測衛星のデータを取り入れた地磁気モデルの表現方法を読み取った。その結果、任意の年において地磁気の分布や永年変化だけではなく、地磁気の時間に対する2階微分も表せるようになった。このように、外核内の流れを推定するために地磁気モデルを使用できるように整備した。しかしながら、高次のポテンシャル磁場成分を核－マントル境界へ下方接続すると過度に強調されてしまうことがわかり、球面調和関数の展開次数として14次までを使用することにした。
Matsushima (2015) の手法では核－マントル境界における粘性境界層の下部では流れの水平成分が地衡流であるという非常に強い制約が課されている。この制約を緩めるために、コリオリ力だけではなく、磁場によるローレンツ力の影響も取り入れた。このように磁気地衡流というこれまでよりも緩い制約のもとで外核内の流れを計算することを可能とした。
1840年～2015年にわたる地磁気モデルCOV-OBS.x1 を使用して外核内の流れを計算した。得られた流れを基礎として、核－マントル結合の時空間変動を調べる。コリオリ力が卓越している場合、流れは回転軸方向に一様になる傾向がある。外核内の流れの南北平均を求めて、つまり流れを回転軸方向に平均して赤道面上に投影した。投影された流れを調べることにより、核－マントル境界における下降流および内核境界における上昇流の空間的組み合わせを推定することができるようになる。このように計画された研究はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は研究が概ね順調に進展した。しがたって、当初の計画どおり、内核境界における浮力分布、そして核－マントル境界における熱流量分布の空間的組み合わせによって、流れのスケールおよびパターンがどのように変動しうるのかの安定性解析をすることによって、核－マントル結合の時空間変動を明らかにする。さらに、外核内の対流の数値シミュレーションを実施することによって核－マントル結合の時空間変動を明らかにする。本来は回転球殻中の３次元（ＭＨＤ）ダイナモを解かなければならないが、本研究では内核境界の浮力分布、そして核－マントル境界における熱流量分布の空間的組み合わせおよびその大きさに的を絞るため、２次元の問題として解く。本研究の結果は、本研究領域の別の研究組織である「理論計算」における数値シミュレーションへの問題提起あるいは結果解釈のために貢献できるものになると考えられるので、この点に着目して研究を推進する。
外核内の流れを計算するときに外核の電気伝導度を与える必要がある。近年の研究でも１桁ほどの不確定性がある。得られた流れにはわずかながら電気伝導度依存性が認められる。この点に着目し、別の研究組織である「物性測定」と共同して研究を推進することも可能である。
地球に限らず他の固体惑星・衛星の場合でも、それらの形成後の冷却過程における核－マントルの相互作用と共進化には核－マントル結合が大きな影響を及ぼしている。水星の場合、現在も水星ダイナモが水星磁場を生成・維持している。NASAのMESSENGERによる水星磁場観測結果とこれから打ち上げられるJAXA・NASA のBepiColomboによる水星磁場観測結果から水星磁場分布とその永年変化がわかるかもしれない。つまり水星核内部の流れから水星の核－マントル結合が明らかにされるかもしれない。その基礎研究として研究内容を発展させていく。
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