核マントル境界直下の安定成層の形成および破壊に関する流体力学的研究

• Project Area: Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science
• Project/Area Number: 16H01117
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 竹広 真一 京都大学, 数理解析研究所, 准教授 (30274426)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2016: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 組成対流 / 運動エネルギー生成 / 安定成層 / 貫入対流 / 惑星流体核 / 惑星ダイナモ / 熱組成対流 / 地磁気永年変動 / 惑星熱進化 / 熱伝導率 / 熱組成フラックス / 惑星磁場ダイナモ / 内核年齢 / 2重拡散対流 / 磁気対流 / 回転対流

Outline of Annual Research Achievements

地球中心核は外側のマントル対流により冷却されることにより流体運動が内部で駆動されていると考えられている. 核全体の冷却に伴い凝結固化していく内核からは, 核の主成分である鉄ニッケルに混じっている酸素や硫黄などの軽成分が内核に取り込まれずに外核下面へと放出される. この軽成分による組成対流が外核内の流体運動を駆動し地球磁場が生成維持されていると考えられている. しかしながら近年の高圧実験や第一原理に基づく物性計算により, 外核の熱伝導率が従来より大きな値であることが提唱されている. その場合, マントル対流により奪われる熱流を熱伝導により十分に輸送することができて, 熱的に安定成層が形成されることが示唆されている. このような外核上部の安定成層が下面からの組成対流で混合され破壊されてしまうのか, あるいは上部の安定成層が維持されて, その下側だけで対流が生じているのかが, 外核内の熱組成構造を定める上での重要な流体力学的問題となっている.
そこで本研究では, 熱的な安定成層に対して下面から軽成分を注入する状況での, ２成分系２次元ブシネスク流体の数値実験を行い, 発生する組成対流がどの程度の厚さまで安定成層を混合するのかを観察し, 理論的な解釈を試みた.熱組成対流がどこで発生できるかを定量的に判断する基準として, われわれは熱的および組成のどちらにも起因する浮力による仕事率(運動エネルギー生成)を考案した. 仕事率が正である領域は浮力により運動エネルギーが生成できるので対流が発生可能であると判断できる. 逆に仕事率が負の領域では運動エネルギーが生成できないため, 安定成層が形成される可能性があると判断できる.
数値実験によって得られた組成対流の発達する領域は, 全層が対流によって混合されていると仮定したときの運動エネルギー生成率が正となる領域でよく説明できる.

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Effects of radial distribution of entropy diffusivity on critical modes of anelastic thermal convection in rotating spherical shells (2018)
  • Author(s): Sasaki Youhei、Takehiro Shin-ichi、Ishiwatari Masaki、Yamada Michio
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: 276 Pages: 36-43
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2017.09.003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Penetration of steady fluid motions into an outer stable layer excited by MHD thermal convection in rotating spherical shells (2017)
  • Author(s): Takehiro, S., Sasaki, Y.
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: - Pages: 258-264
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2017.03.001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 地球外核の上部安定成層に対する組成対流の貫入 (2017)
  • Author(s): 竹広真一, 佐々木洋平
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2017 年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱組成対流の安定成層への貫入 (2017)
  • Author(s): 竹広真一, 佐々木洋平
  • Organizer: 2017 年日本流体力学会年会
• [Presentation] Erosion of a thermally induced stably stratified layer by compositional convection in the Earth's outer core (2017)
  • Author(s): Takehiro, S., Sasaki, Y.
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 14th meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Erosion of a thermally induced stably stratified layer by compositional convection in the Earth's outer core (2017)
  • Author(s): Takehiro, S., Sasaki, Y.
  • Organizer: Joint Scientific Assembly of the International Association of Geodesy (IAG) and International Association of Seismology and Physics of the Earth’s Interior (IASPEI)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 回転球殻中の磁気対流により引き起こされる平均帯状流の外側安定成層への貫入 (2016)
  • Author(s): 竹広真一, 佐々木洋平
  • Organizer: 2016 年日本流体力学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学 御器所キャンパス(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2016-09-26
• [Presentation] Penetration of mean zonal flows into an outer stable layer excited by MHD thermal convection in rotating spherical shells (2016)
  • Author(s): Takehiro, S., Sasaki, Y.
  • Organizer: The 15th symposium of Study for Earth Deep Interior
  • Place of Presentation: ナント(フランス)
  • Year and Date: 2016-07-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 回転球殻中の磁気対流により引き起こされる平均帯状流の外側安定成層への貫入 (2016)
  • Author(s): 竹広真一, 佐々木洋平
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2016 年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場(千葉県千葉市)
  • Year and Date: 2016-05-23