地球型惑星の水量と表層環境
中山陽史 , 阿部豊(東大・地惑)

http://www.nasa.gov/mission̲pages/kepler/multimedia/images/kepler-22b.html

2014/01/07

- Introduction - 地球型惑星が持つ水量 太陽系の地球型惑星の中で地球だけが惑星表面に少量(0.023 wt％)の水を持っている供給源

・微惑星からの供給
・円盤ガス

時期

・惑星形成と同時
・惑星形成後水量の多い(~10wt%)地球型惑星が多く形成[Raymond et al. 2007]

系外の地球型惑星を考える上で地球よりも表面水量の多い惑星(海惑星)も多く存在していると考えられる

- Introduction - 水量とH2O層の構造 水の相図から惑星表面に多くの水が存在すると高圧氷が形成
水量の増加によってH2O層の構造は変化
Leger et al. 2004

小水量

大水水
岩石
地球水岩石
全球が海に覆われる

高圧氷
岩石
高圧氷形成

- Introduction - 部分海惑星(地球)の炭素循環 大陸風化速度

表面温度
rainfalldissolution
arc
precipitation
volucanism

Walker feedback
subductionridge
volucanism

negative
feedback

silicateweathering
accretion

温室効果

CO2 分圧Walker feedback(walker et al. 1981)
大陸風化速度は正の温度依存性を持つため,表面温度が増加すると大気CO2 量は減少
→ 大陸風化による気候調節メカニズムが働いている

- Introduction -- 海洋底風化 -海惑星では大陸風化が働かない!

熱水循環による海洋底風化が重要な役割を担うと予測される[Sleep and Zhanle 2001]

Hydrothermal Carbonatization
CO2hydrothermal
CaCO3
reaction

mid ocean ridge

熱水循環による海洋底風化の速度についてはよく分かっていない
海洋底風化は温度依存性がある[田近, 2011, フロンティアセミナー]

水量の増加は海底の温度増加に相当

水量と海洋底風化の関係について検討する必要がある
海洋底風化効率によって大気CO2 量は変化するのか

- Introduction - 高圧氷が炭素循環に与える影響高圧氷形成によって水-岩石相互作用が失われる[Leger et al. 2004]→海洋底風化さえも遮断される

水高圧氷
岩石

水量の増加によって炭素循環の描像は変化する→水量増大によって大気CO2 量は増加すると予測される

- Introduction -ここまでのまとめ・地球型惑星の水量はばらつきがある・海洋底風化の速度は水量と関係がありそう
水量

小大H2O 層部分海全球海

大陸風化

◯◯

◯

海洋底風化

海底に高圧氷表面水量が表層環境を大きく変える可能性がある

- Introduction -研究目的
地球型惑星について水量が表層環境に与える影響を理解したい
・海惑星での炭素循環の理解
・水量と大気CO2 量との関係について考察する

本発表
海惑星の炭素循環を調べる
・海洋底風化効率をパラメータとして,大気CO2 量がどの程度変化するか検討する

- Model ATMOSPHERE (Rat)

Tajika and Matsui 1992, Sleep and Zhanle 2001 など

Degassingd ( Rat + Roc )Fdg= Fdg + Fav − Fhydt*dRmn)
Fdg = Fdg* × q × (Rmn Rmn= Frg − Fdg
dtFav = (1 − Aav )(1 − Aac )Fsb
dRcr**(F=F×q×CChyhyococ )= Fhy − Fsb
dt
Frg = Aav (1 − Aac )Fsb
dRcc= FacFsb = q × (Rcr τ * )dt
F =A Facac

Fav

Dissolution
Equilibrium

OCEAN (Roc)
Hydrothermal
CarbonatizationCONTINENTAL
CRUST (Rcc)

Fhy

OCEANICCRUST (Rcr)
Accretion

FacRegassing Frg

MANTLE (Rmn)sb

・海洋底風化は海水中の炭素濃度に依存
パラメータ
海洋底風化効率 Fhy* : 1.6

Arc Volcanism

ボックスモデル

1011 - 1.61012

- Model -•••- 条件設定 -仮定
全炭素量などのパラメータは地球と等しい
太陽定数, 地殻熱流量は現在の地球で一定
初期条件として, 大気・海洋に炭素濃集
表面温度
CO2 とH2Oの温室効果を加味したフィッティング(walker et al. 1981)

Ts = Teﬀ + Tg, H20(Ts) + Tg, CO2(PCO2)

Tg, H2O : 水による温室効果
適用範囲

Tg, CO2 : 二酸化炭素による温室効果

0.0003 < PCO2 < 0.3 [bar]- Result --フラックス 1海洋水量, 大陸地殻なし, Fhy* = 8.0
1023

1016

1022

10141021
ocean crust
atmosphere

Frg

1013
1012

FavFdg

1011

109

ocean

108

19106

Fsd

1010

1020

10Fhy

1015

flux [mol / yr]

reserver size [mol]mantle

1011

107

108

Time [yr]

109

1010

106

107

108

109

1010

time [yr]初期条件として, 大気・海洋に炭素を濃集させているが,海洋底風化が効率的に働き, 大部分の炭素はマントルへ10 億年程度で平衡状態に達する

- Result -- PCO2 と表面温度 -1海洋水量, 大陸地殻なし, Fhy* = 8.0

100

900

1022

1021
ocean crust1020

atmosphereocean

6107108Time [yr]109800
10700
600
500

1010PCO20.1300

101temperature

400

19

partial pressure of CO2 [bar]1000

temperature [K]reserver size [mol]mantle1010001100

1023

1010116海洋底風化が効率的に働き,PCO2 はある程度小さい値に地球に比べ温暖な環境が実現される

107108Time [yr]1091010

平衡状態
PCO2 : 0.28 bar
Ts : 339 K

- Result -- PCO2 と表面温度 1011

1海洋水量, 大陸地殻あり, Fhy* = 8.0
continental crust

1000

100
900

temperature [K]reserver size [mol]

1022

1021
ocean crust1020

atmosphere
1019

1018 6101000

10108109800

10700
1600500

ocean
7

partial pressure of CO2 [bar]mantle1100

1023

PCO2temperature

0.1

400

1010300

106Time [Gyr]大陸地殻が存在するため,PCO2 は大陸地殻なしよりも小さい値
大陸地殻の存在は温暖な環境を緩和

107108Time [yr]109100.0110

平衡状態
PCO2 : 0.09 bar
Ts : 321 K

- Result -- 海洋底風化効率依存性 -1海洋水量, 大陸地殻なし
1010

1000

Fhy* = 1.6 × 1011

10PCO2 [bar]Time [yr]

100

109

108
1010

1110Fhy* [mol/yr]

10121Fhy* = 8.0 × 1011

0.1

Fhy* = 1.6 × 1012

0.01106107108
Time [yr]109

平衡状態に到達する時間

海洋底風化効率 Fhy* によって平衡状態に到達する時間, PCO2 は大きく異なる→ 海洋底風化の温度依存性を考慮する必要がある

1010

まとめ

• 海惑星の炭素循環について議論した• 惑星表面が海に覆われているため, 大陸風化が働かず,熱水循環による海洋底風化が炭素循環を担う• 10億年程度で平衡状態に到達し, 温暖な環境になる(60 C程度)
• 大陸地殻が存在すると, P は大きく緩和• 平衡状態に到達する時間, P は海洋底風化の効率によって変化
CO2CO2課題• 水量をパラメータとして組み込む• 海洋底風化の温度依存性の定式化• 大気モデルの構築