| 研究領域 | 水惑星学の創成 |
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| 研究課題/領域番号 |
17H06456
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
関根 康人 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (60431897)
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| 研究分担者 |
谷 篤史 神戸大学, 人間発達環境学研究科, 准教授 (10335333)
荒川 雅 九州大学, 理学研究院, 助教 (10610264)
野口 直樹 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 助教 (50621760)
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| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| キーワード | 惑星起源・進化 / 惑星探査 / 化学物理 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、火星や氷衛星の表面で起きることが予想される、光に駆動された化学反応や氷の変形流動といった物理化学過程を室内実験により定量化することを目的とする。次年度では、上記の環境を再現する実験装置群の構築、およびこれを使った研究の実施が主となる。(1)～(4)の実験についての装置設計・製作・研究実施を行った。
(1) 光化学／液相反応実験：高真空チャンバーとターボ分子ポンプ、冷凍機を用いた氷への紫外線・電子線照射実験装置を構築した。対象は、氷と硫黄化合物、塩化物の混合物であり、生成物を分光分析及び溶液分析した。結果を氷衛星表面物質と比較することで、実際の天体表面での物質進化過程を制約した。
(2) クラスター反応実験：構築した実験装置にレーザーを導入し、水和クラスターなどの光で駆動された化学反応を模擬する実験を行った。反応生成物は、既存の飛行時間型質量分析計で定量した。これらから、火星上での酸化物の生成過程の実験データを得た。
(3) 氷変形流動実験：構築した装置を用いて、高圧氷やクラスレートの塑性流動則を明らかにした。特に、氷天体の内部進化に重要となるメタンクラスレートについて、その自己拡散係数を測定、定式化した。
(4) 氷結晶・クラスレート実験：構築したクラスレート観察実験装置及びイメージング計測系を用いて、氷天体の内部海や氷地殻内での物質交換や、表層でのガス放出過程を制約した。特に、物質交換の平衡定数を明らかにすることで、内部海の溶存ガス種の組成の決定要因を明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
おおむね当初の予定に即して、実験装置群の設計・構築を行うことができ、これを用いた研究を始動している。光反応実験・液相実験については、すでに酸化物への微量元素の吸着実験を行い、火星探査データを解釈可能な結果を予定を上回るペースで得ている。一方、条件設定のためにメタンハイドレートの赤外分光測定を行った結果、当初予定していたものより常温測定では赤外吸収が弱いことがわかり、目的とするメタンハイドレートの拡散実験を行うためには、低温赤外分光測定用のクライオスタットを新規に導入する必要が生じたため、3ヶ月の遅延が生じた。ただし、遅延自体は致命的なものではなく、その後の計画で十分に遅延を取り戻せるものである。以上により、本研究が遂行する4つの実験装置全体としては、おおむね順調に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和１年以降は探査車Curiosity のデータから、初期火星の酸化状態を明らかにする。氷テクトニクスについては、様々な化学組成を持つ氷の変形流動則を調べ、表面組成に対する氷天体のテクトニクス様式を推定する。令和１年度以降は、ガリレオ探査機や、すばるなど地上望遠鏡による表面/噴出物の観測に基づき、エウロパなどのテクトニクスを推定する。(1)～(4)の実験についての具体的な研究推進方策は以下の通りである。
(1) 光化学/液相反応：表層水の反応実験は、光学フィルターを用いて酸化物に含まれる微量元素の光の波長依存性、酸素分圧依存性を調べる。生成物の分析については、B01 班の開発したSXTM も使用し、反応過程を明らかにする。
(2) クラスター反応：水クラスター中での化学反応過程の解明に取り組む。まず、水クラスターに着目する。電場により真空中に捕捉した水クラスターに、鉄イオンを含むクラスターを照射し、これら分子同士の反応を観測する。反応時間を変化させて生成物の収量を測定し、反応素過程を明らかにする。種々の酸化物や酸化剤、酸素分子の生成素過程を明らかにする。
(3) 氷変形流動：0.1 MPa 以下の低応力条件での氷の変形実験を実施する。純粋氷試料での実験が軌道に乗り始めたら、生成が予測される不純物粒子を試料に加える。実験後の不純物粒子の変質の評価や、塩素イオンの氷結晶中への取り込みの確認は、低温ラマン分光分析により行う。A03 班のモデルに実験データを提供し、氷天体の内部進化を議論する。
(4) 氷結晶・クラスレート：地下へ移送される化合物を添加し、氷やクラスレート形成のダイナミクスのその場観測を拡張していく。また、氷変形流動に合わせ、温度圧力条件がどのように変化するかをシミュレーションすることで、氷変形流動に伴う氷・クラスレートの形成・融解について明らかにする。
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