地球磁場ダイナモの発生と逆転の物理

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13680566
• 研究機関: 独立行政法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 佐藤 哲也 独立行政法人海洋研究開発機構, 地球シミュレータセンター, センター長 (80025395)
• 研究分担者: 吉田 晶樹 独立行政法人海洋研究開発機構, 地球シミュレータセンター, 研究員 (00371716) ; 亀山 真典 独立行政法人海洋研究開発機構, 地球シミュレータセンター, 研究員 (70344299) ; 陰山 聡 独立行政法人海洋研究開発機構, 地球シミュレータセンター, グループリーダー (20260052) ; 田村 祐一 大学共同利用機関法人自然科学研究機構核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, 助手 (50311212) ; 荒木 文明 独立行政法人海洋研究開発機構, 地球シミュレータセンター, 研究員 (90359224)
• キーワード: 地球磁場 / 磁場気ダイナモ / 磁気流体ダイナモ / 磁気流体力学 / 自己組織化

研究概要

地球磁場の特徴は二つある。一つは、双極子磁場成分が卓越していること、そしてもう一つは、その双極子磁場の南北の極性が突然逆転するという、いわゆる磁場逆転現象が起きることである。我々は、これらの特徴を再現し、その機構を理解することを目指した計算機シミユレーションを行った。シミュレーションモデルは次の通りである。二つの球面に挟まれた球殻上の領域を考える。これは地球の外核を想定している。内側の球面は内核との境界面、外側の球面はマントルと外核の境界面に相当する。この球殻容器の内部に外核の液体鉄を想定した電気伝導性の流体が入っているものとする。球殻全体は一定の角速度で回転(自転)している。内側の球面は高温、外側の球面は低温に保たれている。温度差が十分に大きければ球殻内部の電気伝導性流体は熱対流運動をおこなう。解くべき基本方程式は、温度場の時間発展も含めた磁気流体方程式(MHD方程式)である。シミュレーションの結果、外核内部の熱対流運動によって強い双極子磁場成分が自発的に生成・維持されるだけでなく、その磁場のが突然逆転する現象も再現することができた。データを詳しく解析すると、興味深いことが分かった。逆転は周期的ではなく、予測できないタイミングで起きる;双極子磁場が卓越した時期が長く続くのに対し、逆転にかかる時間は短い;逆転が起きるのは外核中の対流セルの対称性が崩れる瞬間である;球殻内部の熱対流運動によってMHDダイナモ機構を通じて生成された磁場には二つの状態(高い磁場エネルギー状態と、低いエネルギー状態)の二つあり、逆転が起きるのは、高いエネルギー状態の時である;双極子磁場の逆転に先んじて四重極磁場成分が成長する。
以上の結果から、地球磁場の逆転現象は、基本的にはMHD方程式に内在するMHD物理の本質的な性質であることが分かる。一方、磁場の逆転頻度のゆらぎなど、実際の地球磁場について確かめられている重要な性質のいくつかはまだ再現できていない。これは今後の課題である。

研究成果

• [文献書誌] J.Li, A.Kageyama, T.Sato: "Repeated and Sudden Reversals of the Dipole Field Generated by a Spherical Dynamo Action"Science. 295. 1887-1890 (2002)
• [文献書誌] 佐藤哲也: "地球シミュレータ-ホリスティックシミューションと科学革命"日本物理学会誌. 58・2. 79-85 (2003)
• [文献書誌] M.Yoshida, M.Ogawa: "The role of hot uprising plumes in the initiation of plate-like regime of three-dimensional mantle convection"Geophysical Research Letters. 31・5. L05607 (2004)
• [文献書誌] M.K.Yoshioka, F.Araki, H.Uehara, T.Enomoto, A.Igarashi: "3-DStructure of Baiu Front around Japan Simulated by Ultra High Resolution Atmospheric General Circulation Model on the Earth Simulator"Journal of Visualization. 6・4. 327 (2003)
• [文献書誌] M.Kameyama, Y.Kaneda: "Thermal-mechanical coupling in shear deformation of viscoelastic material as a model of frictional constitutive relations"Pure and Applied Geophysics. 159. 2011-2028 (2002)
• [文献書誌] Masanori Kameyama: "Comparison between thermal-viscous coupling and frictional sliding"Tectonophysics. 376. 185-197 (2003)