SPH法による氷衛星の内部海の三次元数値流体シミュレーション：コード開発と応用

利用SPH方法对冰卫星内部海洋进行三维计算流体模拟：代码开发与应用

基本信息

批准号：
22KJ1981
负责人：
村嶋慶哉
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1981/
关键词：
氷衛星 SPH法

项目摘要

近年の観測により、EuropaやEnceladusといった氷衛星で、氷殻表面の割れ目から水蒸気が噴出していることがわかっている。これは表面の氷殻の下に液体の水の領域(内部海)が存在していることを示唆している。液体の水は化学反応を支える溶媒で、生命の誕生に必要不可欠な要素の一つであると考えられており、氷衛星の内部構造、特に温度の分布と進化について理解することは重要なことである。現在考えられている氷衛星の内部海の熱進化のメカニズムは、潮汐変形による加熱が起き、熱が衛星表面まで熱伝導で伝わり、表面からの放射で熱が抜けていく、というものである。これらの熱過程が平衡状態にあることによって内部海が保たれている。同時に、氷殻と内部海の境界では氷と水の間で相転移が起きている。そこで、潮汐加熱、熱伝導、放射冷却、相転移を導入した三次元流体数値シミュレーションを行うことのできるSPH法のコードを開発した。本研究で開発したコードは、これまで前例のない内部海の形成・保持に必要な4つの物理過程を全て基礎方程式に組み込んだglobalな三次元数値シミュレーションを行うことができるものである。globalな三次元計算であるために、氷衛星全体での水・熱の循環を計算することができ、また、初期条件として非対称的な内部構造を仮定したシミュレーションを行うこともできる。そのため、本研究で行うシミュレーションは氷衛星の内部海の構造を理解する上で非常に有力な手段となる。さらに、本研究で氷衛星の内部海が存在する条件を明らかにすることは、生命が存在できる天体の探査に大きな影響を与えることが期待できる。

最近的观测表明，木卫二和土卫二等冰卫星会从冰壳的裂缝中散发出水蒸气。这表明在表面冰壳下方存在液态水区域（内部海洋）。液态水是支持化学反应的溶剂，被认为是生命诞生的必需元素之一，因此了解冰卫星的内部结构，尤其是温度分布和演化非常重要。目前认为冰卫星内部海洋的热演化机制是由于潮汐变形而产生热量，热量通过传导传递到卫星表面，然后通过表面的辐射散失。内部海洋是通过这些热过程的平衡来维持的。与此同时，冰壳和内海之间的边界处正在发生冰和水之间的相变。因此，我们开发了 SPH 方法的代码，可以执行包含潮汐加热、热传导、辐射冷却和相变的三维流体数值模拟。这项研究开发的代码能够执行全球三维数值模拟，将形成和维持前所未有的内部海洋所需的所有四个物理过程纳入基本方程中。由于是全局三维计算，因此可以计算整个冰卫星的水和热的循环，也可以以不对称的内部结构为初始条件进行模拟。因此，本研究中进行的模拟是了解冰卫星内部海洋结构的极其有力的工具。此外，通过这项研究阐明冰卫星内部海洋存在的条件，预计将对探索生命可能存在的天体产生重大影响。