| 研究課題/領域番号 |
24244073
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 研究機関 | 独立行政法人海洋研究開発機構 |
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研究代表者 |
柳澤 孝寿 独立行政法人海洋研究開発機構, 地球内部ダイナミクス領域, 主任研究員 (20359186)
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| 研究分担者 |
田坂 裕司 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00419946)
陰山 聡 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (20260052)
桜庭 中 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (50345261)
宮腰 剛広 独立行政法人海洋研究開発機構, 地球内部ダイナミクス領域, 研究員 (60435807)
隅田 育郎 金沢大学, 自然システム学系, 准教授 (90334747)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 地磁気 / 逆転 / 液体金属 / 室内実験 / 数値シミュレーション |
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| 研究概要 |
地磁気逆転現象の解明を目指して、磁場と回転の影響下での液体金属の熱対流を中心に、いくつかの対流系の研究を実験と数値計算の両面から実施した。
磁場の影響については、「下部加熱・上部冷却による液体金属の対流」を対象とした。ドイツの研究所と協力することで印加する磁場強度を大幅に上げることに成功し、対流パターンのレジームダイヤグラムで扱う磁場とレイリー数の範囲を拡大した。これまでの実験結果からの外挿による予測が実証された一方で、流れ場の新たな挙動の発見にもつながった。さらに極端な乱流領域での挙動の解明への道が開けた。
回転の影響については、「内部加熱・上部冷却による水の対流」と「下部加熱・上部冷却による液体金属の対流」を対象とした。回転台を中心とした装置の改良により実現可能なパラメータの範囲が拡大し、レジームダイヤグラムができつつある。レイリー数とテイラー数をパラメータとして、「水の対流」では水平面での全体のパターンの可視化により、対流セルのサイズの系統的な変化を観察することに成功した。「液体金属の対流」では超音波ドップラー流速分布計測により、計測ライン上に存在する渦の個数から、対流セルのサイズの定量化に成功した。どちらの対流でも特徴的な時空間スケールが存在することが分かった。
また、電磁流体の数値シミュレーションでも、コードの作成と検証をふまえた上で、磁場や回転の効果を入れた上述の実験結果を詳細に再現することに成功するとともに、各パラメータについての高密度なデータセットを構築しつつある。
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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
磁場をかける実験では、ドイツ・ヘルムホルツセンターに滞在し、装置を持ち込んで強磁場（300mT）下での液体金属の対流実験を行った。その結果として、これまでの実験では観察されなかった、長周期の規則的な流れの反転が対流運動に見られた。なお、強磁場下での実験に備えて装置の非金属化を徹底した。この強磁場は、本課題で予定していた以上の強度であり、早々にこの実験を実現できたことにより、流れ場に対する磁場の影響について明確な見通しを得ることができた。
回転台については、低速から高速まで安定した回転を実現できるように駆動部分を改良するとともに、回転系で大電力が使用可能となるようスリップリングを増強した。また、温度制御について循環水ではなくヒーター加熱による装置を新たに製作し、検証実験を行った。この回転台を用いた液体金属の対流実験に着手する前の予備実験として、回転場における内部発熱対流の対流パターン形成を調べる実験を行った。入力電力と回転数を制御パラメータとして、広い領域について流れパターンのレジームダイヤグラムを作成することができた。
新たな実験手法として、超音波流速分布計と感温液晶シートを用いることで、液体金属の速度場と温度場を同時に計測する手法を確立した。これにより面的な情報が得やすくなり、数値シミュレーションとの比較にも有用である。
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| 今後の研究の推進方策 |
室内実験を中心にして、それに対応した数値シミュレーション、ダイナモシミュレーション、地磁気変動との比較、を相互に参照しながら協力して実施する。
室内実験では、上下温度固定の液体金属層内の熱対流に対する、磁場および回転の効果を調べる範囲を大幅に拡大する。上下温度差・磁場強度・回転速度のそれぞれについて、さらなる装置の増強によりこれを実現する。特に磁場については特別設計の強磁場コイルを新たに導入し、ドイツの研究所に近い磁場強度を我々の実験室でも実現することを目指す。これにより、発達した乱流の特徴を示すような高レイリー数の領域についても、磁場による顕著な乱れの抑制効果や方向性の規定の効果を研究することが可能となり、地球の外核の状況に近づくことができる。一方で、これまでより高い周波数を用いた超音波計測によって流れ場をより詳細に可視化する。回転の効果については、装置の改良によりごく低速域から高速回転の領域まで精度の良い制御が可能となったので、超音波計測の高分解能化と合わせて、回転速度とともに渦構造が形成され細かくなっていく過程を観察し定量化する。
数値シミュレーションでは、室内実験との相互比較に重点を置くとともに、地球の形状に合わせた球殻の中心重力場でのダイナモシミュレーションを進める。開発したコードでこれまでに流れの逆転現象も含めた実験結果の再現に成功しつつあり、共通の挙動が見られているので、長時間積分のデータを蓄積した上で、「長周期の規則的な変動」「逆転の引き金となる流れ場の変動」「磁場強度による乱流スペクトルの系統的変化」を主な着目点として解析を進める。そして球殻でのダイナモシミュレーションの結果にも同様の解析をあてはめ、共通する特徴を探していく。さらに、実験では実現が困難である現象のプラントル数・磁気プラントル数への依存性の調査を実施する。
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