研究室の学生さんの論文が New Astronomy から出版されました。従来の SPH 法の定式では剛体回転する系の粘性を正しく解くことができないことを発見し、それを解決する方法を開発したという内容です。
“Modifications of SPH towards three-dimensional simulations of an icy moon with internal ocean”
Keiya Murashima, Natsuki Hosono, Takayuki R. Saitoh & Takanori Sasaki,
New Astronomy, 115, 102320 (2025) [pdf]
以下に論文の内容についての簡単なまとめを載せておきます。興味を持たれた方は、ぜひ読んでみてください。
概要：
いくつかの氷衛星には内部海洋の存在を示す痕跡があります。たとえば、エウロパやエンケラドスに見られる蒸気噴出柱がその例です。これは、表面の氷殻の下に液体の水が存在する領域を示唆しています。液体の水は生命の起源にとって重要であるため、これらの内部海洋の発展、特に温度分布や進化を理解することが重要です。潮汐加熱と放射冷却のバランスが氷衛星の表面下で液体の水を維持していると考えられています。
私たちは SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）法を用いた三次元数値流体計算によって、氷衛星内部海洋の潮汐加熱をシミュレートすることを目指しています。SPH の支配方程式に粘性と熱伝導の項を組み込みました。しかし、粘性項を含む SPH で剛体回転を計算する際に、2つの問題が発生しました：（1）従来の粘性の定式化では、回転を妨げる非物理的な力が生じたこと、（2）標準的な SPH の定式化によって、層構造内で人工的な内部エネルギーの分配が発生したことです。
最初の問題に対処するために、粘性の定式化を修正しました。次に、2つ目の問題には、以前の研究で開発された DISPH（Density Independent SPH）を採用し、不連続面での挙動を改善しました。さらに、粒子法を用いて流体表面を定義するアルゴリズムを導入し、放射冷却を実装しました。また、相転移を考慮した状態方程式を導入しました。これらの修正を通じて、氷衛星の内部海洋の進化をシミュレートするために必要なすべての物理過程を包含するように、SPH法を改良しました。
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