地球惑星科学連合大会2012＠幕張

今年も地球惑星科学連合大会＠幕張に参加してきました。

惑星科学セッションでは海の再形成シナリオのお話を、木星・土星系セッションでは衛星形成のお話をそれぞれ発表しました。
特に前者については公の場で話すのは初めての内容だったので、いろんな反応があって、休憩時間等にもいろいろ議論できて、楽しかったです。

こうやって業界みんなで集まって議論できる場というのは、やっぱり貴重なものですね。

発表に使ったスライドと投稿したアブストラクトを以下に載せておきます。

地球の海の起源については、これまでにも数多くの議論がなされてきた [e.g., Matsui & Abe, 1986; Gomes et al., 2005; Ikoma & Genda, 2006]。特に近年は、惑星形成段階でスノーラインが 1AU 以内まで動きうることが示され [Oka et al., 2011]、地球型惑星が獲得する水の質量についての制約が重要な研究課題となっている。また原始生命の発生と進化の観点からも、地球が形成初期に適切な量の水を獲得する(あるいは散逸する)ことが重要であると考えられている。

一方、地球の初期表層環境については、酸化還元度に関するパラドックスが存在する。希土類元素の濃度分析等により、地球のマントルは分化直後(43.5 億年前)にすでに FMQ(酸化的)にあったことが示されている [Trail et al., 2011]。 ところが硫黄の同位体分析等によると、地球の大気は少なくとも 25 億年前まで還元的でなければならない [Farquhar et al. 2000]。また原始金星からの海洋散逸についても、問題点が提示されている。水蒸気大気の光解離により生じた水素はハイドロダイナミックエスケープにより宇宙空間に散逸させることが可能であるが、残された酸素は熱的・非熱的散逸や地表の酸化等のプロセスを考慮しても全てを消費することはできず、金星大気中から取り除くことができない [Sasaki & Abe, 2008]。

本研究では Genda et al. (in prep.) の結果をもとに、地球型惑星形成最終段階で必然的に起こると考えられる巨大衝突破片の再集積(=レイトベニア)による原始海洋の消失、およびその後の海再形成機構についての新しいシナリオを以下の通り提案する。

(1) 原始海洋への金属鉄の集積による海の消失と大量の水素大気の発生
(2) 水素大気の散逸および水素大気への火山ガス付加による海の再形成
(3) 10 億年程度の時間をかけて 1 海洋質量の海が誕生
(4) 初期地球における酸化的なマントルと還元的な大気の共存
(5) 初期金星における 2 度の海洋消失イベントによる CO2 大気の形成

本シナリオにより、地球の海の形成、および地球と金星の初期表層進化についての統一的な理解が可能となり、これまで議論されてきた地球の海洋質量の調整・酸化還元度に関するパラドックス・金星の余剰酸素など、様々な問題が解決される。また本シナリオは、一般的な地球型惑星の形成過程において必然的に起こるであろうプロセスにより構築されたものであり、太陽系外地球型惑星の形成と初期進化を議論する上でも重要である。

The Jovian satellite system mainly consists of four Galilean satellites, where the inner two satellites are rocky and outer two are icy, and only the outermost one is compositionally undifferentiated. They have similar masses and are trapped in mutual mean motion resonances. On the other hand, the Saturnian satellite system has only one big icy body, Titan, and the other satellites have masses that are two orders of magnitude smaller. Since both satellite systems would have been produced in similar circum- planetary proto-satellite disks, the origin of the diversity has been a long-standing question.

Here we explain the origin of the diversity by simulating growth and orbital evolution of proto-satellites in an accreting proto-satellite disk model that is combined with the idea of different termination timescales of gas infall between Jupiter and Saturn based on a planet formation model.

We show that in the case of the Jovian system, a few similar-mass satellites are likely to remain in mean motion resonances, the configuration of which is formed by type I migration, temporal stopping of the migration near the disk inner edge, and quick truncation of gas infall by gap opening in the Solar nebula. The Saturnian system tends to end up with one dominant body in the outer regions caused by the slower decay of gas infall associated with global depletion of the Solar nebula. The compositional zoning of the predicted satellite systems is consistent with the observed satellite systems.

Our results indicate that the diversity of the satellite systems is closely related to how the final masses of gas giant planets are determined, which is a big debate in the context of the mass distribution and multiplicity of extrasolar gas giants. The architecture of the Galilean satellites may be fossil evidence that Jupiter opened up a clear gap in the circum-stellar proto-planetary disk to terminate its growth.