2018 Fiscal Year Annual Research Report

火星表層の環境変動において岩石－水－大気相互作用が与える影響の研究

Research Project

Project/Area Number	17J02704
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	田畑陽久東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords	火星 / 表層環境変動 / 大気化学 / 不均一反応 / 大気進化
Outline of Annual Research Achievements	火星の表層環境は、かつての還元的で地表に液体の水が存在するような環境から、現在のような酸化的で寒冷で乾燥した環境へと劇的な環境変動を経験したことが近年の探査によって明らかになりつつある。しかし、その過程については未だよく分かってない。火星の表層環境がいかにして変動してきたのかを知ることは、火星のみならず地球や系外惑星の表層環境進化や生命存在可能性を議論する上でも重要である。今年度は、かつて火星に存在した厚い大気の行方の候補として考えられる、鉄の酸化過程について検討することを目的として研究を行った。これまでの本研究の結果により、火星の環境変動は大気圧の減少によって駆動されていたことが示唆された。かつて存在したとされる火星大気の行方としては、宇宙への大気散逸が有力視され、現在の火星の大気散逸率が周回衛星機MAVENによって測定されている。その結果、観測された酸素の散逸率は、同時に観測された水素の散逸率と比べると半分から10分の1程度であった。このことは、水や二酸化炭素が主な酸素源であることを考慮すると、火星大気に現在進行形で酸素が蓄積していることを示唆する。しかし、そのような観測事実はこれまで報告されていない。そこで、大気中の酸素が地表あるいは大気中に広く存在するダストと反応する「気体―固体反応」によって消費されている可能性が考えられる。同様のプロセスは地球の大気化学分野において調べられており、室内実験による反応速度定数も報告されている。しかし、火星大気においては反応条件や気体・固体それぞれの化学組成が地球大気とは異なるため、直接適用することはできない。そこで、室内実験装置の設計・開発を進めるとともに、大気光化学計算を行うことで火星大気における主要な反応気体成分を調べ、実験条件の制約を行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 今年度の目標は、火星がかつて保持していた厚い大気の行方として考えられる鉱物の生成・風化メカニズムを明らかにし、鉱物生成・風化実験を行うことで現在および過去の火星大気の消失過程を制約することであった。しかし、研究計画時には火星大気の大部分は炭酸塩鉱物として地下に固定されていると考えられていたのに対し、近年の網羅的な全球探査から炭酸塩鉱物は希少であることが分かり、鉱物生成・風化過程について再考を余儀なくされた。その結果、実験装置の設計に大きな変更が必要となり、当初計画と比べ進捗にやや遅れが生じた。
Strategy for Future Research Activity	火星条件における気体―固体反応の反応速度について調べた研究はないため、火星環境における気体―固体反応を理解するためには、室内実験によって反応速度を測定する必要がある。実験条件を制約するために、現在の火星大気組成を再現可能な1次元の大気光化学モデルにダストを追加し、気体―固体反応による酸素を含む成分の消費フラックスを調べた結果、主要な反応経路は酸素ラジカルによる反応であることが示唆された。今後は、酸素ラジカルによる火星ダストの酸化反応について検討可能な実験装置の設計・開発を進める。