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2023 年度 実施状況報告書

地球化学トレーサの分別・輸送シミュレーションから明らかにする地球マントルの進化

研究課題

研究課題/領域番号 22K14131
研究機関秋田大学

研究代表者

中尾 篤史  秋田大学, 理工学研究科, 助教 (00817249)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワードマントル対流 / データ同化 / 逆問題 / トレーサ粒子
研究実績の概要

本研究は,流体力学の数値シミュレーションに基づき,地球マントルの対流構造の変遷を明らかにすることを目的としている.本研究の申請当初は,「地球化学トレーサ」を既存のマントル対流のフォワードモデルに組み込み,実行し,その結果を解釈する,というアプローチを計画していたが,「地球マントルの運動履歴を間接的に反映した観測データ」をもとに逆問題的にそれを解く手法がより目的に適うと考え,1年目より,アジョイント法を用いたマントル対流のデータ同化コードを一から構築する運びとなった.

1年目は,「地球マントルの運動履歴を間接的に反映した観測データ」として,地球表面(プレート)の運動速度の時系列,最終ステップにおける温度場,最終ステップにおける地球化学トレーサの分布などを対象とし,これらの観測データを説明するように,未知数,すなわち,過去におけるマントルの温度,流動速度,地球化学トレーサの時空間分布を拘束するための逆問題手法を構築した.2年目において,本手法を査読付き国際学術論文として発表した.

2年目はこれに加えて,マントル中に存在する地球化学トレーサのように,高粘性流体の流れに沿って受動的に移流するトレーサ粒子の情報(位置の時系列やその時間微分)をもとに,その流体の温度構造や流動,およびそのプロセスを逆問題として解く理論およびアルゴリズムを開発し,人工データを用いたテストにより有効性を確認した.本件について,論文を執筆中である.さらに,トレーサ粒子を活用するこの逆問題手法を,トレーサ粒子を含む高粘性流体の室内対流実験で撮像されたデータに応用し,その運動を精度良く再現できることを確認した.流体の運動を再現するのみならず,実験で観測することの難しい温度構造を定量推定するという画期的な成果を得た.

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

トレーサ粒子に記録された情報から周囲の対流プロセスを復元する逆問題手法を開発し,有効性を示したことで,「地球化学トレーサに着目して地球マントルの対流構造の変遷を明らかにする」という目標に当初の想定以上に近づいた.一方で,当初想定していた部分溶融や脱水反応に対応する地球化学トレーサのモデリングには至っていない.

今後の研究の推進方策

3年目においては,2年目に取り組んだ (1) トレーサ粒子情報から熱対流を復元する理論研究,および (2) トレーサ粒子情報から熱対流を復元する逆問題手法を室内実験に適用する実証研究,の2つの研究を査読付き国際論文としてまとめる.部分溶融や脱水反応に関するアジョイント方程式を導出することは大変に難しいため,地球化学トレーサのモデリングは従来通りフォワード問題の範囲で検討する.

次年度使用額が生じた理由

国際学術誌にて論文を発表する際、オープンアクセス化のキャンペーンにより投稿料が無料となったため、次年度使用額が生じた。次年度において、国際学会での発表のための旅費や参加費の値上がり分を充当するために繰越分を使用する。

  • 研究成果

    (3件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Adjoint-based data assimilation for reconstruction of thermal convection in a highly viscous fluid from surface velocity and temperature snapshots2024

    • 著者名/発表者名
      Nakao, A., Kuwatani, T., Ito, S., & Nagao, H.
    • 雑誌名

      Geophysical Journal International

      巻: 236 ページ: 379-394

    • DOI

      10.1093/gji/ggad417

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 熱対流復元のための粒子-セル系データ同化2024

    • 著者名/発表者名
      中尾篤史, 桑谷立, 伊藤伸一, 長尾大道
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2024年大会
  • [学会発表] Data assimilation for reconstructing mantle thermal convection with geochemical tracers2023

    • 著者名/発表者名
      Nakao, A., Kuwatani, T., Ito, S., & Nagao, H.
    • 学会等名
      Water-Rock Interaction WRI-17/ Applied Isotope Geochemistry AIG-14
    • 国際学会

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公開日: 2024-12-25  

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