氷、メタン、アンモニアの高温高圧分解実験による天王星と海王星のマントル構造の解明

通过冰、甲烷和氨的高温高压分解实验阐明天王星和海王星的地幔结构

基本信息

批准号：
16J00612
负责人：
木村友亮
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Ehime University (2017-2018)Tohoku University (2016)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、CO2レーザー加熱装置とブリュアン-ラマン散乱分光計測を組み合わせた複合計測システムを開発し、惑星内部環境下におけるアンモニアの弾性波速度計測とラマン分光分析を行った。高温高圧下のアンモニアのブリュアンスペクトル中に出現する、液体に由来する音速ピークの観察を基にして60 GPaまでのアンモニアの融点計測に成功した。約2000 K、40 GPa以上の温度圧力条件で低い音速を持つ新しい相を発見した。ラマン分析からその新しい相はイオン化していることがわかり、この相が超イオン相に相当することがわかった。超イオン相の縦波速度は液体と同等であることが示されたため、超イオン相は液体と同程度の弾性特性を持っていることがわかった。本研究で決定した融解曲線から惑星内部の温度圧力環境にアンモニアの超イオン相が存在することが明らかになった。したがって、超イオンアンモニアは天王星、海王星内部に存在しているが、この物質が液体と同等の弾性特性を持っていることから、超イオン物質は惑星深部の対流抑制に寄与していないことがわかった。氷惑星のもう一つの主要物質であるメタンは深部で水素とダイヤモンドに分解することがわかっている。この分解生成されたダイヤモンドがマントル深部に沈殿してダイナモ生成を妨げるような安定成層を形成している可能性が考えられる。このように本研究から、氷惑星の磁場生成メカニズムと関連する、重要な内部構造が明らかになった。

在本研究中，我们开发了一种将CO2激光加热装置和布里渊拉曼散射光谱相结合的复合测量系统，并对行星内部环境中的氨进行弹性波速测量和拉曼光谱分析。通过对高温高压下氨的布里渊光谱中出现的液体所产生的声波峰的观察，我们成功测量了高达 60 GPa 的氨的熔点。我们在大约 2000 K 和超过 40 GPa 的温度和压力条件下发现了一种低声速的新相。拉曼分析表明新相被电离，表明该相对应于超离子相。超离子相的纵波速度与液体的纵波速度相当，表明超离子相具有与液体相当的弹性特性。这项研究确定的熔化曲线表明，地球内部的温度和压力环境中存在氨的超离子相。因此，虽然天王星和海王星内部存在超离子氨，但很明显超离子材料对抑制行星深处的对流没有贡献，因为这种材料具有与液体相当的弹性。甲烷是冰冷行星上的另一种主要物质，众所周知，它会在深处分解成氢和钻石。这种分解的钻石可能会沉淀在地幔深处，形成稳定的分层，从而阻止发电机的形成。通过这种方式，这项研究揭示了与冰行星磁场产生机制相关的重要内部结构。