メタンハイドレートの高温高圧下の相変化と海王星・天王星氷マントルの状態の推定

高温高压下甲烷水合物相变以及海王星和天王星冰幔状态的估计

基本信息

批准号：
07J02727
负责人：
町田真一
金额：
$ 1.15万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

项目摘要

メタンハイドレートは、外惑星やその衛星の主要な構成成分の一つと考えられている。海王星や天王星などの氷惑星では、構成成分や内部構造が探査機や理論計算から予測されており、氷層にメタンハイドレートが存在している可能性がある。しかし、氷惑星内部に匹敵する温度圧力下でのメタンハイドレートの状態を調べた実験はなかった。また、太陽系で最も豊富に存在する水素のハイドレートが氷衛星やプロトスターに存在する可能性が示唆さているが、水素ハイドレートの高圧相変化なども明らかにされていなかった。さらに、メタンハイドレートと水素ハイドレートは、他のガスハイドレートと比較して際立った安定性を示しており、メタンハイドレート、水素ハイドレートのみに高圧安定性を保証する特異的な分子間相互作用が働いていることが予測できる。そこで本研究では、氷惑星内部条件におけるメタンハイドレートの状態や、水素ハイドレートの高圧相転移を明らかにし、またハイドレート内の分子間相互作用を調べることを目的として、メタンハイドレート、水素ハイドレートの高圧実験を行った。本年度は、主に水素ハイドレートの高圧実験を行った。X線回折実験により、水素ハイドレートは、35〜40GPa付近で、フレームワーク水分子に水素結合対称化が生じ、これに誘発されて、新たな高圧相へ転移することが示された。さらに、分光学的な実験により、固体水素では一般的に観察されるカップリング現象が、水素ハイドレート内では抑制されることを明らかにした。また、ゲスト水素分子の回転が抑制されることをとらえた。固体水素では、水素分子の回転が止まるためには160GPa以上の高圧が必要であることを考慮すると、構造内での回転抑制はフレームワークによる強い相互作用が働いる結果であると考えられた。

甲烷水合物被认为是系外行星及其卫星的主要成分之一。海王星、天王星等冰行星的组成成分和内部结构已经通过航天器和理论计算进行了预测，冰层中可能存在甲烷水合物。然而，还没有任何实验研究过在与冰冷行星内部发现的温度和压力下甲烷水合物的状态。也有人提出，太阳系中最丰富的物质氢水合物可能存在于冰冷的卫星和原恒星中，但氢水合物的高压相变尚未阐明。此外，与其他气体水合物相比，甲烷水合物和氢水合物表现出出色的稳定性，具有特定的分子间相互作用，仅确保甲烷水合物和氢水合物的高压稳定性。可以预见，该效果正在发挥作用。因此，在本研究中，我们研究了甲烷水合物和氢水合物的状态，以阐明冰行星内部条件下甲烷水合物的状态和氢水合物的高压相变，并研究其分子间相互作用。进行了高压实验。今年我们主要进行了水合物的高压实验。 X射线衍射实验表明，水合物在35-40 GPa左右的压力下在骨架水分子中发生氢键对称化，从而诱导向新的高压相的转变。此外，光谱实验表明，在固体氢中常见的耦合现象在氢水合物中受到抑制。他们还发现客体氢分子的旋转受到抑制。考虑到在固态氢中，需要160 GPa或更高的高压来停止氢分子的旋转，因此结构内旋转的抑制被认为是骨架之间强相互作用的结果。