火星や地球のような岩石惑星は、微惑星と原始惑星の衝突によって質量を獲得することによって、太陽系の初期段階で形成されました。このようなエネルギー衝突は、放射性熱生成要素の崩壊とコア形成のプロセスと同様に、惑星内部に蓄えられた大量の熱を生成します.
この熱は、岩石のマントル内の対流によって効率的に運ばれます。これは、何百万年もの時間スケールで、ストーブの鍋で沸騰したお湯と同じように振る舞い、最終的には惑星の表面を通って宇宙空間に失われます。表面熱流 (惑星が内部の熱を失う方法) は、内部の発熱要素の量の指標として使用でき、惑星の組成に直接関連付けることができ、惑星形成モデルに重要な制約を課します。ただし、その複雑さのために、地球以外の地球型惑星での表面熱流の直接測定はまばらで、月でしか利用できません。しかし、これは今後の NASA ミッション InSight (地震調査、測地学、および熱輸送を使用した内部探査) で変わります。
InSight ミッションは、カリフォルニア州のヴァンデンバーグ空軍基地から来年 5 月に打ち上げられる予定です。 2018 年 11 月 26 日の 6 か月の旅の後、火星に到達し、これまで火星で最も包括的な地表ベースの地球物理学的調査を行います。インサイト着陸船は、火星の表面に地震計を設置し、火星の赤道近くのエリュシウム プラニティア地域で 5 メートル下に熱流プローブを掘削します。
火星の地震活動、火星が内部の熱を失う速度を監視し、火星の 1 年 (地球の 2 年) にわたって着陸船の通信システムを使用して火星の自転を正確に決定します。ドイツ航空宇宙センター (DLR) で開発された InSight 搭載の HP (熱流および物理特性パッケージ) 計器は、火星の表面下に温度センサーを配置し、内部から熱が逃げる速度を記録するハンマー機構を使用します。惑星の。このような非常に貴重な測定値は、地球型惑星の内部がどのように機能するかについての理解を深め、惑星形成の初期段階から現在までの進化を制限します。
火星は、地球の約 2 分の 1 で質量は 10 分の 1 ですが、地球と同様に、岩石の地殻とマントル、および鉄を豊富に含むコアへの分化を経験しています。地球と同じように、火星には火山があり、実際、太陽系で最も壮観な火山があり、地球と同じように、火星には氷に覆われた北極と南極があります。しかし、地球上のキャップは水の氷で構成されていますが、火星では水の氷と二酸化炭素の氷の組み合わせでできています。それにもかかわらず、その進化を通じて、火星は地球ほど地質学的に活発ではなかったため (たとえば、プレート テクトニクスがないなど)、その内部を形成した初期のプロセスの完全な歴史を保持していた可能性があります。
火星の表面熱流の推定における不確実性
直接的な熱流の測定がない場合、火星表面の熱流は、大規模な火山構造物と極氷冠の荷重下でのリソスフェア、つまりマントルの最も外側の硬い部分の曲げの測定値から推定されます。上のクッキーの重さで変形するジェロプリン。この負荷の下で弾性的に振る舞い、曲がるリソスフェアの部分の底部は、特徴的な温度によって近似することができます。弾性リソスフェアの深さとそれに対応する温度は、熱伝導率の仮定と推定、および地殻とマントル内の放射性熱生成要素の分布とともに、熱流の値を提供できます。
それにもかかわらず、大規模な火山中心部は何百万年も何十億年にもわたって構築されてきたため、不確実性が生じます。また、信頼できる現在の弾性厚さの推定値は、氷冠の下のリソスフェアのたわみから火星の北極と南極で得られたものだけです。しかし、弾性層の厚さの北極推定値は 300 km を超える値を示しており、これは火星の内部進化の数値研究とは一致しません。そのような値は地球全体を代表するものではないか、または火星の内部には、さまざまな惑星形成シナリオで予測されるよりもはるかに少ない放射性熱生成要素が含まれていると主張されてきました. InSight に搭載された HP3 機器は、エリュシウム平原地域における現在の火星の熱流の最初の直接測定を実行することにより、上記の仮説のどれが正しいかをテストします。
熱進化の数値シミュレーション
InSight の測定は火星の表面の 1 か所で実行されるため、グローバルなコンテキストでそれらを解釈するには何らかの助けが必要です。過去数十年にわたる計算能力の驚異的な増加により、マントル対流と惑星進化の数値シミュレーションは、複雑な物理プロセスをモデル化するための強力なツールになりました。これらのプロセスは、太陽系全体およびそれを超えて地球の内部で活動しています。このような大規模な数値シミュレーションは、専用のスーパーコンピューター センターで実行され、数百または数千の計算コアで並行して実行されます。
火星の内部進化を調査し、DLR 惑星研究所で実施されたマントル対流の数値シミュレーションは、マントル プルームによって引き起こされる表面熱流の空間的変化を評価するために使用されています。マントルプリュームは、典型的にはコアとマントルの境界で発生する高温の熱異常であり、タルシスおよびエリシウム地方の火星で最も新しい火山活動の原因であると考えられています。ただし、これらの熱異常は、InSight 着陸地点の近くにある場合、熱流測定に影響を与える可能性があり、平均表面熱流の再構築が困難になります。
火星の内部進化のさまざまな数値シミュレーションを、多数のパラメーターにまたがって実行しました。すべてのシミュレーションは、重力および地形データと互換性のある地殻の厚さの変化を採用しています。火星の周りを飛行するオービターが経験する重力場のわずかな変動と、マーズ グローバル サーベイヤーに搭載されたマーズ オービター レーザー高度計装置によって取得された地形データを組み合わせて、地殻の厚さマップを導き出すことができます。地殻物質は、マントル物質に比べて放射性発熱元素の含有量が高い。これらの元素は、融解時に内部から抽出され、地殻に富むからである。私たちの数値シミュレーションは、マーズ オデッセイ宇宙船に搭載されたガンマ線分光計によって測定された放射性元素の現在の表面存在量と一致し、現在の火星内部の最も詳細なシミュレーションを表しています。
数値結果は、マントルプルームが熱流測定に影響を与える可能性が低いことを示しています。これは、そのような熱異常が、大規模な火山中心タルシスやエリュシウムなどのいくつかの地質学的領域に限定されたままであり、InSight 着陸地点からかなり離れていることがわかっているためです。私たちのモデルは、InSight の場所で得られた地表熱流の値が平均的な地表熱流に非常に似ていることを示しており、InSight が現在の火星の代表的な熱流測定値を返すことを示唆しています。さらに、マントル プリュームの存在は、弾性リソスフェアの厚さに大きな変動をもたらす可能性があり、内部進化の数値モデルと北極の弾性厚の推定値を一致させることができます。
アポロ計画中に宇宙飛行士が行った月の熱流と地震の測定により、月の内部に関する理解が大幅に向上しました。今後の InSight ミッションは、火星の表面で自律的に測定を実行し、火星やその他の地球型惑星の形成と進化を理解するのに役立つ貴重なデータを返します。
参考文献
- Plesa, A.-C., M. Grott, N. Tosi, D. Breuer, T. Spohn, and M. A. Wieczorek (2016)、火星の表面を横切る現在の熱流束の変動の大きさは?、 Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．解像度惑星、121、2386–2403、doi:10.1002/2016JE005126.
この研究 現在の火星表面の熱流束の変動はどのくらいですか?最近、Journal of Geophysical Research:Planets に掲載されました .
