一つの惑星としての地球像
1960年代以前の惑星科学
惑星探査の時代
惑星としての地球
惑星形成論の展開
惑星初期進化
系外惑星
1
1. 1960年代以前の
惑星科学
天文学の一部としての惑星科学
2
望遠鏡による発見
天王星 1781年3月13日 W. Harshell
海王星 1846年9月23日 J. G. Galle
小惑星セレス:
1800年12月31日 G. Piazzi 発見
1801年12月31日 F. X. von Zach 再発見
1802年3月28日 H. W. M. Olbers パラス発見
冥王星 1930年1月23日29日 C. W. Tombough
1992年 D. Jewitt & J. Liu 1992QB1 発見
3
冥王星問題:惑星の定義
(1) A planet is a celestial body
(a) is in orbit around the Sun,
(b) has sufficient mass for its self-gravity to
overcome rigid body forces so that it
assumes a hydrostatic equilibrium
(nearly round) shape, and
(c) has cleared the neighborhood around its
orbit.
The International Astronomical Union
2006.Aug.24 in Plag
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(2) A dwarf planet is a celestial body that
(a) is in orbit around the Sun,
(b) has sufficient mass for its self-gravity to
overcome rigid body forces so that it assumes a
hydrostatic equilibrium (nearly round) shape,
(c) has not cleared the neighborhood around its
orbit, and
(d) is not a satellite.
(3) All other objects orbiting the Sun shall be
referred to collectively as “Small Solar System
Bodies”.
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1930年代以降の低迷
1920年代に書かれた教科書は1960年頃でも通
用した
1960年頃
金星には海があり、
火星には植物が生え、
クレーターは火山である
というのが常識的な考えであった
地上からの眼視観測でできることの限界
6
2. 1960年代からの
惑星科学
惑星探査の時代
7
冷戦と惑星科学
米ソの冷戦構造→宇宙での覇権争いの一環
特に1960年代の米国では月に人類を送り込む
ために非常に多くの資源が投入された
ほぼ毎月のロケット打ち上げが行われて、急
速な技術開発が行われた
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探査
段階
フライバ
イ
水星
金星
月
火星
木星
土星 天王星 海王星 冥王星 小惑星 彗星
‘74 ‘62 ‘59 ‘64 ‘74 ‘79 ‘86 ‘89
周回
‘67 ‘66 ‘71 ‘95
着陸/
衝突
‘59/’6 ‘71/’7
6
3
‘67
サンプ
ル回収
‘69
有人
探査
‘69
‘95
‘91 ‘86
‘05 ‘05
‘06
1989年までの約30年間に冥王星を除く全ての惑星
には一度は探査機が訪れた
→ 太陽系惑星の概要はほぼ探査された
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地上観測の有用性
可視光以外の波長の利用
大気圏外からの観測
・金星の地表温度=レーダー
・木星磁気圏=レーダー
・金星・水星の自転周期=レーダー
・天王星の輪=航空機からの観測
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探査機による観測
惑星探査技術
地球観測技術
重力場・地形
電磁気
表面の写真・分光観測
惑星本体の研究
地球物理学的な手法による研究
→ 地球物理学の対象の拡大
しかし単なる拡大以上の意味
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惑星探査の意義
唯一の地球
「偶然の産物であって、通常の意味での科学の
対象ではない」
→ 地球を丸ごと対象とする科学が育ち得ない
気象現象、地震など、部分的に繰り返す現象の科学
あるいは工学的な興味
惑星の一つとして地球をとらえる
地球を相対化できる
→ 地球を丸ごと科学の対象にできる
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3. 比較惑星学
惑星としての地球
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C. Sagan
1963年 ‘planets are places’ 一連の講演会
地球を惑星の一つと考え、惑星を比較する視点
地球の相対化
=惑星としての地球の特殊性の認識
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地球型惑星
質量
半径
密度
0気圧密度
水星
0.055 0.382
5.43
5.4
金星
0.815 0.949
5.24
3.9-4.7
5.52
4.0-4.7
地球
1
1
月
0.012 0.272
3.34
3.3
火星
0.107 0.532
3.93
3.7-3.8
15
木星型惑星
質量
半径
密度
木星
317.83
11.194
1.33
土星
95.16
9.407
0.7
天王星
14.5
3.982
1.3
海王星
17.22
3.81
1.76
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天体衝突現象の認識
火成作用や水成作用は認識されていた
しかし、一般的な現象としての天体衝突は認
識されていなかった
全ての固体表面に衝突痕=Crater
=普遍的な現象としての衝突の認識
1970年代に確立
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Craterの成因論争
1970年頃まで:月の crater が火山か隕石孔か
論争があった
crater が円形であること
crater が壁を共有して並ぶ場合がある
→ 衝突ではない?
18
19
クレーター分布
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地球型惑星の表面
小さいほどクレーターが多い
大きいほど火山性平原が増える
火山体は火星以上
褶曲山脈は金星以上
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衝突現象の普遍性
全ての固体表面に衝突痕=Crater
=普遍的な現象としての衝突の認識
1970年代に確立
白亜期末の大絶滅を天体衝突に結びつ
ける考え:1980年
→ 地質現象の原因を地球外に求める
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天体衝突現象
単に crater を作るだけの過程ではない
* 惑星形成論における微惑星説
* 大気の形成
* 大気の吹き飛ばし
* 気候への影響 放出物
* 岩石の融解とコアの形成
* 月の形成
頻度は高くないが、必ず起こる
しかも、非常に大きなエネルギーが解放される
* 瞬間的には地球の中心の圧力以上に達する
衝突現象の理解はまだ不十分
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惑星大気:組成
Planetary Atmospheres: Composition
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惑星大気:組成
Planetary Atmospheres: Composition
Terrestrial planets
CO2
Icy satellites
N2
Jovian planets
H2+He
太陽組成の気体の捕獲
Captured solar gas
地球について海と石灰岩を考慮する
Ocean & carbonates are taken into account for the Earth
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地球の特徴
海洋があること
大陸があること
プレートテクトニクス
生命がいること
26
惑星形成論・進化論
27
太陽系の構造
基本的には平面内
外側に行くほど軌道間隔が広がる
質量99.8%は太陽
角運動量99.5% は惑星
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太陽系の元素組成
太陽と惑星
は同じもの
からできて
いる
29
星間分子雲
低温
水素+塵
30
円盤になる理由
31
32
33
固体成分の沈降
34
沈降の理由
35
固体成分の沈降
36
微惑星形成
微惑星(〜1015kg)
37
微惑星からの惑星形成
1969
1972
1972
Safronov
Goldreich & Ward
林
重力不安定による微惑星の形成
(+
小天体衝突の普遍性)
=>
微惑星の衝突合体による惑星形成
惑星集積
38
微惑星の集積
39
微惑星の集積
N 体計算の発達 1990年代
Kokubo & Ida, 1997
40
原始惑星形成
火星(6x1023kg=地球の1/10)位
100万年くらい
太陽系には太陽組成=水素とヘリウム主体の気体が充満
41
外側の原始惑星は成長を続ける
内側は停止
42
木星土星はガス捕獲
43
円盤ガス散逸
天王星海王星はガス捕獲できない
地球型惑星領域では原始惑星の衝突成長
44
円盤ガス散逸
天王星海王星はガス捕獲できない
地球型惑星領域では原始惑星の衝突成長
45
円盤ガス散逸
天王星海王星はガス捕獲できない
地球型惑星領域では原始惑星の衝突成長
46
円盤ガス散逸
天王星海王星はガス捕獲できない
地球型惑星領域では原始惑星の衝突成長
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未解決問題
大枠はできたが、分からないことは多い
原始惑星系円盤の形成
微惑星の形成
天王星・海王星の形成時間
地球型惑星の材料物質
48
系外惑星
49
他の太陽系における惑星の発見1995年(51 Peg)
予想外の惑星:
中心星の周りを4日で公転する木星
太陽系のような惑星系は普通ではない?
→
宇宙的スケールでの地球の特殊性・普遍性
生物が生存可能な惑星の条件
50
系外惑星の発見法
51
太陽系外の惑星
158系 194個 (2006.6.26)
52
系外惑星の検出
53
軌道の例
54
多様な惑星系
Hot Jupiter
中心星のすぐ近くの巨大惑星
← どうやってつくるか?
Eccentric Planet
離心率が大きい惑星系
太陽系のような惑星系
55
生命が存在できる惑星
-Habitable Planetの普遍性
56
Habitable Condition vs
Continuously Habitable
Condition
Habitable Condition:
ある一瞬に惑星上で生命が生きられる条件
「人間にとって適当」とする定義もある
Continuously Habitable Condition:
ある程度長期間にわたって惑星上に生命が生
きられる条件(期間は10億年とか45億年とか
勝手に与える)
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Habitable Condition
本当の条件ははっきりしない
液体の水が地球型生命の生存・繁殖にとって
必須
→ 液体の水の存在を条件とする
代表的論文:Kasting, J.F., D. P. Whitmire,
and R. T. Reynolds: Habitable zones around
main sequence stars, Icarus, 101,108-128,
1993.
58
水惑星形成の3条件
1.H2Oが惑星に供給される
H2Oまたは水素と酸素が供給される
2.H2Oが惑星表面に存在する
惑星内部に閉じこめられたり、
宇宙空間に散逸しない
3.H2Oが液体になる
凍りついたり、全て蒸発したりしない
59
水の3態
温度 >摂氏0.1度 <摂氏374.11度
圧力 >与えられた温度の飽和蒸気圧
温度は惑星表面の熱
収支で決まる
圧力は大気量・水の
量で決まる
60
H2Oが液体になる条件
液体になれば海ができる
H2Oはどんな条件が満足されると液体になる
のか
地球型惑星大気の主成分であるCO2とH2Oが
ある状況下で考える
61
海洋が存在できる条件
超臨界流体
二酸化炭素
自身が液化
する
全球凍結
太陽放射が小さく
温室効果も弱いの
で全体が氷に覆わ
れる
液体と気体
の区別が付
かない
暴走温室効果
水蒸気自身の温室
効果のために高温
になり、いくら大
量にH2Oがあって
も海が作れない
惑星が太陽から受ける正味の放射W/m2
Abe,1993
62
原始地球・金星・火星の比較
45億年前の
火星・地球・金星
原始金星には海があ
ったかもしれない
原始火星
海を作るのは難しい
現在の地球
30%反射
惑星が太陽から受ける正味の放射W/m2
63
惑星環境の安定性
1.太陽放射の増大
45億年間に30%明るくなった
2.大気中の二酸化炭素量の減少
海に二酸化炭素が溶解し、石灰岩として固
定される
3.水蒸気の散逸
水蒸気は大気上層で分解されて水素として
散逸
64
水蒸気の散逸
大気の温度が高い→上層に大量のH2O
→紫外線による分解→散逸
現在の地球では上層大気の水蒸気量は少な
い:大気構造のため Cold Trap
上層大気のH2O量は暴走限界近くで急増
地球太陽放射の 110% 程度では 45 億年間
でほぼ海洋質量が失われ得る (Kasting et al
1993)
65
太陽放射の増大の効果
図上で惑星は右に動いていく
金星:
暴走温室効果で
海が消滅
惑星が太陽から受ける正味の放射W/m2
66
二酸化炭素量固定の効果
図中で惑星は下に動いていく
地球も火星も凍結
する可能性!!
惑星が太陽から受ける正味の放射W/m2
67
プレート運動による地球環境の安定化
気温が上がると化学風化が進み、二酸
化炭素固定が強まり、火山ガス供給を上
まり、大気中の二酸化炭素が減る。温室
効果が弱まって気温が下がる
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安定化にはプレート運動が重要
地球内部から出てくる二酸化炭素量と海で石
灰岩として固定される二酸化炭素量が等しく
なるような温度が維持される
活発なプレート運動で二酸化炭素が出てくる
ことで、地球は凍結を免れている
大陸の存在も重要
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月の影響
月がないと、地球の自転軸傾斜は大きく変わ
る→ 気候は極端に変化する
23.5度の傾斜の時
45度の傾斜の時
中緯度で夏は50度
冬は零下50度にもな
る
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惑星環境の決定要因
大気散逸
惑星のサイズ
磁場も影響←磁場の有無を決める要因?
プレートテクトニクスによる環境の安定化
←プレートテクトニクスの原因?
軌道変動
離心率や自転軸傾斜は何が決める?
月の影響?
惑星の材料物質
非常に多様な要素が関係している
複数の要素が絡んだ結果として表れる惑星像の解明
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講義ノート
http://www-sys.eps.s.u-tokyo.ac.jp/~ayutaka/
ファイルアクセスでIDを要求されたら
ID:
gairon06
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system
72
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概論06 - 地球惑星システム科学講座