2019 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Aqua planetology |
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17H06456
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
関根 康人 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (60431897)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷 篤史 神戸大学, 人間発達環境学研究科, 准教授 (10335333)
荒川 雅 九州大学, 理学研究院, 助教 (10610264)
野口 直樹 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 助教 (50621760)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 惑星起源・進化 / 惑星探査 / 化学物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、火星や氷衛星の表面で起きることが予想される、光に駆動された化学反応や氷の変形流動といった物理化学過程を室内実験により定量化することを目的とする。令和１年度では、上記の環境を再現する実験装置群を使った研究の実施が主となる。(1)～(4)の実験についての実験・研究実施を行った。
(1) 光化学／液相反応実験：氷への紫外線・電子線照射実験装置を用いて、塩化物を含む氷と硫黄化合物に対して、紫外線・電子線を照射し、生成物の分析を行った。過塩素酸などの酸化物の生成率を実験的に求めた。一方、実験結果と観測を比較するため、すばる望遠鏡を使った木星氷衛星エウロパの分光観測を行った。
(2) クラスター反応実験：水和クラスターなどの光で駆動された化学反応を模擬する実験を引き続き行った。さらに、水和クラスターを形成する、水液滴の低圧における凍結・発泡現象を真空チャンバー内で観察するシステムを構築した。
(3) 氷変形流動実験：高圧氷やクラスレートの塑性流動則を明らかにした。木星衛星ガニメデ・カリスト内部の高圧氷の対流について、得られた実験結果を用いてモデル化し、これら天体の内部で高圧氷の対流が十分起きうることを示した。
(4) 氷結晶・クラスレート実験：クラスレート観察実験装置及びイメージング計測系を用いて、クラスレート形成の素過程の観察を行った。また、クラスレート形成時の同位体分別効果を測定するシステムを構築しまた。A03班との融合研究によって、クラスレートの物性を氷天体内部進化モデルに導入し、冥王星のような内部熱源に乏しい天体にも、クラスレートの断熱効果によって、内部海が現在でも維持されることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
おおむね当初の予定に即して、構築した実験装置群を用いた研究を展開している。また、得られた実験データを数値モデルに導入することで、氷天体の内部・表層の進化を明らかにする研究を始動している。特に、化学物理と惑星科学の融合によって、クラスレートの物性を氷天体内部モデルに導入した成果は、Nature姉妹紙に出版され、国内外の関連研究者に大きなインパクトを与えた。同様の融合研究は、酸化物質の生成実験と表面環境モデルと間でも生じており、上記のような融合研究が各所で生じようとしている。これらは令和２年以降に予想していたものであり、当初の予定を上回るペースで一部研究が進展している。以上により、本研究が遂行する4つの実験装置全体としては、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和２年以降の研究推進方策は以下の通りである。氷テクトニクスについては、様々な化学組成を持つ氷の変形流動則・クラスレートを含めた物性を調べ、氷に対する不純物の供給源が表層にある場合と、内部の岩石コアにある場合に対して、氷天体のテクトニクスの多様性が如何に生み出されるかをA03班と共同で明らかにし、氷天体のテクトニクスの多様性の支配要因を解明する。表層物質進化については、実験生成物と惑星・衛星表面の観測とを比較する研究を本格的に始め、実験を中心とする研究段階から、実験と観測を両輪とする研究段階へと進めていく。観測については、すばる望遠鏡や火星探査車キュリオシティのデータの解析をB02班と共同して行っていく。
(1)～(4)の実験についての具体的な研究推進方策は以下の通りである。
(1) 光化学/液相反応：表層水の反応実験は、光学フィルターを用いて酸化物に含まれる微量元素の光の波長依存性、酸素分圧依存性を調べる。すばる望遠鏡での観測結果の解釈を行っていく。
(2) クラスター反応：鉄イオンを含むクラスターを照射し、これら分子同士の反応を観測する。反応時間を変化させて生成物の収量を測定し、反応素過程を明らかにする。種々の酸化物や酸化剤、酸素分子の生成素過程を明らかにする。
(3) 氷変形流動：氷の変形実験を行い、A03 班のモデルに実験データを提供し、大型氷天体の内部進化を議論する。また、将来の探査計画を見据えた予見を行っていく。
(4) 氷結晶・クラスレート：氷変形流動に合わせ、温度圧力条件がどのように変化するかをシミュレーションすることで、氷変形流動に伴う氷・クラスレートの形成・融解について明らかにする。
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Research Products
(102 results)
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[Journal Article] Experimental and simulation efforts in the Astrobiological exploration of exooceans2020
Author(s)
R.-S. Taubner, K. Olsson-Francis, S. Vance, N.K. Ramkissoon, F. Postberg, J.-P. de Vera, A. Antunes, E. Camprubi Casas, Y. Sekine, L. Noack, L. Barge, J. Goodman, M. Jebbar, B. Journaux, モヲ. Karatekin, F. Klenner, E. Rabbow, P. Rettberg, T. Rテシckriemen-Bez, J. Saur, T. Shibuya, K. Soderlund
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Journal Title
Space Science Review
Volume: 216
Pages: 1-41
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Relict ocean worlds: Ceres2020
Author(s)
M. C. De Sanctis, G. Mitri, J. Castillo-Rigez, C. H. House, S. Marchi, C. A. Raymond, Y. Sekine
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Journal Title
Space Science Review
Volume: in press
Pages: in press
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Incorporation of incompatible strontium and barium ions into calcite (CaCO3) through calcium carbonate.2020
Author(s)
Saito, A., Kagi, H., Marugata, S., Komatsu, K., Enomoto, D., Maruyama, K., Kawano, J.
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Journal Title
Minerals
Volume: 10
Pages: 270
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] High-pressure responses of alkali metal hydrogen carbonates, RbHCO3_and CsHCO3: Findings of new phases and unique compressional behavior.2020
Author(s)
Iizuka-Oku, R., Gui, W., Komatsu, K., Yagi, T., Kagi, H.
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Journal Title
Journal of Solid State Chemistry
Volume: 283
Pages: 121139
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Gas hydrates in icy planetary bodies as a thermal insulator2020
Author(s)
Atsushi Tani, Shunichi Kamata, Francis Nimmo, Yasuhito Sekine, Kiyoshi Kuramoto, Naoki Noguchi, Jun Kimura
Organizer
SCEJ 85th Annual Meeting, Kansai University, Suita, Osaka, Japan
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Laboratory experiments and observations of Europa for constraints of salt compositions on the surface2020
Author(s)
Tan S., Sekine Y., Kuzuhara M., Kurosaki T., Kikuchi T., Suematsu H., Hama T. & Takahashi Y.
Organizer
The 2nd International Winter School for Aquaplanetology, Aso Plaza Hotel, Aso, Kumamoto, Japan
Int'l Joint Research
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[Presentation] Role of detected salts on the icy bodies; Constraints from field survey and laboratory experiment2020
Author(s)
Yoda M., Sekine Y., Fukushi K., Takahashi Y., Kitajima T., Baasansuren G., Davaadorj D. & Shoji D.
Organizer
The 2nd International Winter School for Aquaplanetology, Aso Plaza Hotel, Aso, Kumamoto, Japan
Int'l Joint Research
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[Presentation] An Interior Structure Model of Pluto that Solves its Geophysical and Geochemical Mysteries2019
Author(s)
Kamata S., Nimmo F., Sekine Y., Kuramoto K., Noguchi N., Kimura J., Tani A.
Organizer
Pluto System After New Horizons, Johns Hopkins Applied Physics Laboratory Kossiakoff Center, Laurel, Maryland, USA
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Hydrological circulations within small icy bodies: Chemical heterogeneity within porous rocky cores of protoplanets, planetesimals, and icy satellites2019
Author(s)
Sekine, Y., Noda, N., Shibuya, T., Kurokawa, H., Genda, H., Shoji, D., Sugiura, K.
Organizer
AGU Fall meeting 2019, Moscone Center, San Francisco, California, USA
Int'l Joint Research
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[Presentation] Callisto as a keystone to reproduce the formation process of the Jovian system2019
Author(s)
Sekine, Y., Kamata, S., Aoyama, Y., Ikoma, M., Tanigawa, T.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2019, Makuhari Messe, Chiba, Japan
Int'l Joint Research
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[Presentation] Salts trapping mechanisms within ice in frozen saline lakes in Mongolia: Implications for salt-containing icy crust of Solar System bodies2019
Author(s)
Yoda M., Sekine Y., Fukushi K., Takahashi Y., Kitajima T., Baasansuren G., Davaadorj D. & Shoji D.
Organizer
AGU Fall Meeting 2019, Moscone Center, San Francisco, California, USA
Int'l Joint Research
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[Presentation] TERRESTRIAL RECURRING SLOPE LINEAE IN MONGOLIA: ITS FORMATION MECHANISM AND IMPLICATIONS FOR MARS2019
Author(s)
Nakamura M., Sekine Y., Fukushi K., Hasebe N., Davaadorj D., Takahashi Y., Hasegawa H., Ogura T., Morida K. & Tuvshin G.
Organizer
The Ninth International Conference on Mars, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA
Int'l Joint Research
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