太陽系天体における水・物質循環のモデリング

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 水惑星学の創成
• 研究課題/領域番号: 17H06457
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 玄田 英典 東京工業大学, 地球生命研究所, 准教授 (90456260)
• 研究分担者: 高橋 芳幸 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (00372657) ; 鎌田 俊一 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (40723474) ; 倉本 圭 北海道大学, 理学研究院, 教授 (50311519) ; 黒川 宏之 東京工業大学, 地球生命研究所, 特任助教 (80713643)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: 惑星起源・進化 / 水循環 / 計算物理 / 固体地球物理学 / 惑星探査

研究実績の概要

本研究では、太陽系天体における水・物質循環に関する実証可能な物理モデルを構築し、多様な水環境を有する太陽系天体が、いかにして作られたのかを明らかにすることを目的としている。最終年度までには、実験班により定量化された化学過程を、各天体の物理モデルに組み込み、探査・分析データを実証として、太陽系天体の水・物質循環の歴史を紐解くこと目指す。本年度は、前年度までに構築 した小惑星母天体（微惑星）の水循環過程を組み込んだ熱進化計算と、小惑星形成に伴う衝突による衝撃変性・脱水などの計算結果を用いて、「 はやぶさ2」のリモセンデータと相互参照することによって水を含んだ微惑星の進化理論を構築した。火星においては、前年度までに行った地下水循環モデルを用いて古火星表層環境を局所的にモデル計算と、火星探査（リモセン・ローバー）によって得られているデータと比較検討することによって古火星表層環境の復元を行った。氷衛星に関しては、水-氷-岩石間の化学反応過程を考慮した長期熱進化モデルを様々な氷天体に応用し、内部海の成立条件や進化過程について調べた。初期地球に関しては、地球誕生時の岩石と鉄の分化過程、およびマグマオーシャンの固化過程を考慮したモデルを用いて、宇宙空間に接続している大気からマントル、コアまでを統一的な視点から水・揮発性元素の分配過程を調べた。対象とする天体の大きさや組成に応じて、水が関与する化学反応過程・物質循環の空間的・時間的スケールが異なるため、それぞれの物理モデルを用いる必要がある。小惑星母天体に関しては、玄田(代表)が担当し、火星の大気大循環モデルに関しては、倉本(分担)、高橋(分担)、火星の古環境復元に関しては、黒川(分担)が、氷衛星に関しては、鎌田(分担) が、初期地球に関しては玄田(代表)と黒川(分担)が主体となって行った。

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

各天体の物理モデルの構築もほぼ完了し、他班との融合研究が実際に行われ、実績が出つつあることから、「おおむね順調に進展している」といえる。

今後の研究の推進方策

新型コロナウィルス感染拡大の状況により、外国へ渡っての共同研究等には制限が出てきているが、zoomなどを利用して頻繁に情報交換することによって、その 不利点を克服し、当初の計画通りに研究を推進する。

研究成果

• [国際共同研究] California Institute of Technology/Johns Hopkins University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: California Institute of Technology/Johns Hopkins University
• [国際共同研究] Space Research Institute(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: Space Research Institute
• [国際共同研究] Institut de physique du globe de Paris(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Institut de physique du globe de Paris
• [雑誌論文] Modification of the composition and density of Mercury from late accretion (2021)
  • 著者名/発表者名: Hyodo Ryuki、Genda Hidenori、Brasser Ramon
  • 雑誌名: Icarus 巻: 354 ページ: 114064
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2020.114064
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Role of Post‐Shock Heating by Plastic Deformation During Impact Devolatilization of Calcite (CaCO ₃ ) (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa Kosuke、Genda Hidenori、Azuma Shintaro、Okazaki Keishi
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 ページ: e2020GL091130
  • DOI: 10.1029/2020GL091130
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] New Growth Mechanism of Dust Grains in Protoplanetary Disks with Magnetically Driven Disk Winds (2021)
  • 著者名/発表者名: Taki Tetsuo、Kuwabara Koh、Kobayashi Hiroshi、Suzuki Takeru K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 909 ページ: 75
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd79f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ring Formation by Coagulation of Dust Aggregates in the Early Phase of Disk Evolution around a Protostar (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohashi Satoshi、Kobayashi Hiroshi、Nakatani Riouhei、Okuzumi Satoshi、Tanaka Hidekazu、Murakawa Koji、Zhang Yichen、Liu Hauyu Baobab、Sakai Nami
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 907 ページ: 80
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd0fa
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact Ejecta Near the Impact Point Observed Using Ultra‐high‐Speed Imaging and SPH Simulations and a Comparison of the Two Methods (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Takaya、Kurosawa Kosuke、Genda Hidenori、Matsui Takafumi
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 125 ページ: e2019JE005943
  • DOI: 10.1029/2019JE005943
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Escape and Accretion by Cratering Impacts: Formulation of Scaling Relations for High-speed Ejecta (2020)
  • 著者名/発表者名: Hyodo Ryuki、Genda Hidenori
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 898 ページ: 30
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab9897
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Probabilistic Approach to Determination of Ceres' Average Surface Composition From Dawn Visible‐Infrared Mapping Spectrometer and Gamma Ray and Neutron Detector Data (2020)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa H.、Ehlmann B. L.、De Sanctis M. C.、Lapotre M. G. A.、Usui T.、Stein N. T.、Prettyman T. H.、Raponi A.、Ciarniello M.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 125 ページ: e2020JE006606
  • DOI: 10.1029/2020JE006606
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Influences of protoplanet-induced three-dimensional gas flow on pebble accretion (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuwahara Ayumu、Kurokawa Hiroyuki
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 643 ページ: A21
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202039153
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Loss and Fractionation of Noble Gas Isotopes and Moderately Volatile Elements from Planetary Embryos and Early Venus, Earth and Mars (2020)
  • 著者名/発表者名: Lammer Helmut、Scherf Manuel、Kurokawa Hiroyuki、Ueno Yuichiro、Burger Christoph、Maindl Thomas、Johnstone Colin P.、Leizinger Martin、Benedikt Markus、Fossati Luca、Kislyakova Kristina G.、Marty Bernard、Avice Guillaume、Fegley Bruce、Odert Petra
  • 雑誌名: Space Science Reviews 巻: 216 ページ: 74
  • DOI: 10.1007/s11214-020-00701-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Obliquity of an Earth-like Planet from Frequency Modulation of Its Direct-imaged Lightcurve: Mock Analysis from General Circulation Model Simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa Yuta、Kodama Takanori、Ishiwatari Masaki、Kawahara Hajime、Suto Yasushi、Takahashi Yoshiyuki O.、Hashimoto George L.、Kuramoto Kiyoshi、Nakajima Kensuke、Takehiro Shin-ichi、Hayashi Yoshi-Yuki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 898 ページ: 95
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab9eb8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Is water ice an efficient facilitator for dust coagulation? (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Hiroshi、Wada Koji、Kobayashi Hiroshi、Senshu Hiroki、Hirai Takayuki、Yoshida Fumi、Kobayashi Masanori、Hong Peng K、Arai Tomoko、Ishibashi Ko、Yamada Manabu
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 498 ページ: 1801～1813
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2467
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Morota T.、Sugita S.、Cho Y.、et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 368 ページ: 654～659
  • DOI: 10.1126/science.aaz6306
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Importance of Phobos Sample Return for Understanding the Mars-Moon System (2020)
  • 著者名/発表者名: Usui Tomohiro、Bajo Ken-ichi、Fujiya Wataru、Furukawa Yoshihiro、Koike Mizuho、Miura Yayoi N.、Sugahara Haruna、Tachibana Shogo、Takano Yoshinori、Kuramoto Kiyoshi
  • 雑誌名: Space Science Reviews 巻: 216 ページ: 49
  • DOI: 10.1007/s11214-020-00668-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Extensive delivery of Martian ejecta to its moons: The gateway to a time-resolved history of Mars (2020)
  • 著者名/発表者名: Genda, H., Hyodo, R., Kurosawa, K., Usui, T., and Fujita, K.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] An overlooked heat source in impact events and its effect on the degree of devolatilization of natural calcite carbonates (2020)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa, K., H. Genda, S. Azuma, and K. Okazaki
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint meeting
  • 招待講演
• [学会発表] C型小惑星の起源と炭素質コンドライト隕石との繋がり：水岩石反応と赤外スペクトルモデルからの示唆 (2020)
  • 著者名/発表者名: 黒川 宏之, 渋谷 岳造, 関根 康人, Ehlmann Bethany L., 臼井 文彦, 菊池 早希子, 依田 優大
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2020年秋季講演会
• [学会発表] Origin of nitrogen in Earth's mantle constrained by models for partitioning and cycling (2020)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa, H., Laneuville, M., Li, Y., Zhang, N., Fujii, Y., Sakuraba, H., Houser, C., and Cleaves, H. J.
  • 学会等名: Europlanet Science Congress 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Spectral evidence for the distant origin and water-rock differentiation of large C-type asteroids (2020)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa, H., Shibuya, T., Sekine, Y., Ehlmann, B. L., Usui, F., Kikuchi, S., and Yoda, M.
  • 学会等名: JPGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会 / 招待講演