| 研究課題/領域番号 |
24244073
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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, 地球深部ダイナミクス研究分野, 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, 地球深部ダイナミクス研究分野, 主任研究員 (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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| 研究実績の概要 |
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、複数の対流系の研究を実験と数値計算の両面から実施してきた。
磁場をかけた液体金属の熱対流実験について、北大およびドイツのヘルムホルツセンターとの共同により、対流を駆動する温度差と印加する磁場強度を大幅に増加させることに成功した。これにより強磁場から弱磁場に設定を下げていく中で、2次元ロール構造が不安定化して振動を開始し、さらにロール数が変化するまでの詳細な過程を明らかにできた。容器内に存在するロール数はあるところまでは温度差および磁場強度とともに増加し、その関係がほぼ確立できた。容器形状とロール固有のサイズとの関係により、ロール数が容器に適合しない条件下ではロール数の変化が繰り返し起こり、これが流れ場の反転を引き起こす。磁場強度を上げていく際にはその挙動が若干異なることも観察され、履歴依存性の存在とその特徴を明らかにした。回転系での熱対流については、光による可視化が可能な水について超音波速度分布計測との比較実験を行い、超音波による液体金属の結果と照合することで、液体金属中での２次元的な対流パターンの把握への道筋をつけた。また、粉粒体の関わる地球惑星科学現象、及び、破壊を伴うマグマ輸送、に関するモデル実験とその解析を行った。これらは内核の固化にも関わるものである。
数値計算では、液体金属の対流シミュレーションを実際の小さいプラントル数を用いて実現し、広いパラメータ範囲にわたって室内実験の結果を良く再現できた。そして、水平面内で大規模な循環が間欠的に生じることが流れ場の反転を引き起こすことを示した。これは地磁気逆転のメカニズムを考察する際に重要である。一方、より高解像度を目指すための新たな計算手法として、渦度-ベクトルポテンシャル法に基づいたMHDシミュレーションのスキームを検討した。
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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
磁場の影響下での液体金属の対流実験ではこれまでに、チャンドラセカール数Q（磁気力）とレイリー数Ra（浮力）がともに0から10の5乗台までという広いパラメータ範囲を実現し、そこで対流の挙動を計測することができた。これは本課題で導入した大型コイルと大容量電源、高性能の恒温循環槽、等の組み合わせにより可能となったものである。低プラントル数流体での高いRaによる発達した乱流の実現、その一方で高いQの磁場による乱流の抑制、という双方の観点から、事前に必要と見積もられたパラメータ領域に到達できた。そして、系統的な実験からこの2つのパラメータの比であるRa/Qによって対流の挙動がよく整理されることを示した。並行して行ってきた回転対流についても、使用する回転台で低速から高速まで安定した回転の性能を実現し、コリオリ力が効くことによる対流レジームの変化を捉えることができている。数値シミュレーションでは、海洋研究開発機構の地球シミュレータと本課題で導入した計算機を用いて、実験のパラメータ領域に近いところまで高解像での計算が可能となり、その計算結果は実験結果と整合的であることが確認された。更に進んで、実験では取得しにくい流れ場全体の詳細な構造とその時間変化のデータセットを数値シミュレーションで構築し、流れ場変動のメカニズムを理解することができた。このように実験の装置と計測手法、数値計算のコードと実行環境、それぞれについて、本課題の目的を達するための手段として、バランスよく進めることができている。また、これまでの研究で、境界層スケールの構造と大規模構造との関連およびその変動メカニズムについて、プラントル数Prの具体的な役割が明瞭になった。
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| 今後の研究の推進方策 |
液体金属のような低プラントル数の流体の熱対流では渦構造の挙動が重要である。一方、高プラントル数の対流では温度プルームの挙動が重要である。そこで液体金属(Pr=0.025)と水(Pr=7)による実験を比較しつつ、広範囲のプラントル数の現象を数値シミュレーションも併用して明らかにしていく。
実験では、水を作業流体として用いて、回転を加えた熱対流系において流れの可視化と超音波による流速分布の同時計測を行い、より効果的に流れ場の情報を抽出する手法を開発する。液体金属については、容器の形状を様々に変えて磁場をかけた実験を行い、上下境界層近傍の詳細な計測から大規模流れの反転と局所的な渦構造の関連性を明らかにする。また、内外核境界での固化のモデル実験も行い、固化組織から流れ場を制約する方法を開発する。
数値シミュレーションでは、実績を積み重ねてきたコードによって、回転系と磁場をかけた系での熱対流の挙動を再現し詳細な構造を得て実験と比較する。更新された地球シミュレータの性能を生かしてパラメータ範囲の更なる拡大を行う。更に、渦度ベクトルと流れのベクトルポテンシャルを基本変数とする新しい手法に基づくコードを完成させ、これまでに見いだされた現象の高解像度計算による再現と物理機構の理解を目指す。
ダイナモシミュレーションでは、回転球殻という形状における流れ場のプラントル数依存性を系統的に調べる。また、磁場が逆転する結果について、逆転時の流れ場の変動を精査して、箱形の系で認識される対流モードの変化がどのように存在するか、さらにはモード間の遷移過程の詳細を調べる。
これらを総合して、地球外核に適用可能な条件での流れ場の変動メカニズムの解明を進め、地球史を通じた地磁気の反転頻度変化や強度変動への理解を得ることを目指す。
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