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日本惑星科学会誌 Vol. 28, No. 1, 2019

特集「月揮発性成分の研究による科学と探査」

月面に供給される揮発性物質とその起源

橋爪 光

1

2018年12月21日受領，査読を経て2019年2月1日受理．

（要旨）近年の月探査リモートセンシング観測から月面極域に水が存在する可能性が示唆されている．この水はどのような起源を持つのだろうか？それを探るために，月面に供給される揮発性物質の候補について，
現在知りうる知見をまとめた．月面は，月形成以来の，太陽，そして，太陽系諸天体起源の様々な物質の降着史を記録しているかもしれない．しかし，揮発性元素は月面で複雑な挙動を示し，その解読が簡単ではな
いこともわかってきた．これまでの観測をまず整理し，今後の月探査による，小型重力天体上での揮発性物
質の挙動理解と，太陽系形成以来の月―地球軌道を横切る物質フラックス推定に向けた議論を進める．

1. 月面揮発性物質学概説

られるのに対して，月面に存在する揮発性物質は特異な起源を持つ可能性が高い．月固有成分（月内部から

月面は，アポロ計画で人類が降り立って以来，長らの脱ガス成分）の他，太陽風，宇宙塵や隕石などの小く「月砂漠」との認識が支配的だった．これは，月面

惑星物質，彗星，更には，これらの月外由来物質の降中低緯度域において採取され地球に持ち帰られた試料

着に伴い月面岩石から発生した成分など，複数のもの

中に，地球において付加されたと考えられる汚染成分が提唱されているが，各成分の寄与割合について確実以外 [1]，もともと月に存在していたと断定できる揮なことはわかっていない．本論文では，月面に供給・発性物質，特に水が発見されなかったことを指す．し生成される可能性のある様々な起源の揮発性物質につかし，時は移り，地上分析技術とリモートセンシング

いて，その種類，特徴や量について，現在までに我々技術が飛躍的に進歩した現在においては，この従来のが知り得た推定をまず概観する．なお，本論文におい認識は誤っていたと考えられるようになってきた．微て中心的に論ずる揮発性物質は水分子（H2O）と鉱物の小領域分析装置や分光装置を用い月火成岩や火成起源

一部を構成する水酸基（OH）だが，一般的な揮発性物

ガラス中に水酸基が発見され，月岩石圏に水が存在す

質，すなわち，希ガス，N2，CO2 や有機物などの，岩ることが判明し [2]，また，中性子分光観測 [3-5] や赤石や金属に比べて凝縮温度が低い物質，ならびに，そ外分光観測 [6] から，極域の月面や表土中には，おその主構成元素（揮発性元素）も随時議論に登場する．そらくは水分子あるいは水酸基の形の，水素が濃集してれは，揮発性元素の各起源に特有な元素構成・同位体いることがわかった．

組成が水の起源推定に役立つためである．

月の極域に揮発性物質が存在するとしても，その起月は大気を持たず，強い固有磁場も持たず，また，

源は自明ではない．地球型惑星が大気を持つ場合それ比較的早期に火成活動が終息している．これらは，太は二次大気，つまりは，各惑星を構成した固体材料物

陽系内各域から月 - 地球軌道に輸送される揮発性物質，

質から脱ガスした揮発性物質を主な起源に持つと考えその過去から現在に至るフラックスを，忠実に記録す

1. 茨城大学理工学研究科地球環境科学領域
ko.hashizume.sci@vc.ibaraki.ac.jp■2019遊星人Vol28-1.indd

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る能力を原理的に有する事を意味する．月面で進められる科学は，月を知る科学だけではない．月面は，40

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億年以上続く宇宙物質サンプラーとして太陽系内の諸かし，月面に供給される可能性のある揮発性物質はこ天体の組成やその変化，また，物質循環史を解明する

れらに限定されない．上記 3 つ以外の成分については貴重な機会を我々に与える．これまでの半世紀に，
我々

降着・生成量を評価する事が現時点では難しい．しかは，様々な元素に関する太陽元素・同位体組成の推定

し，それは，これらが月面揮発性物質の候補として重に大いに月面を活用した．同時に，月面には太陽以外

要でない，ということは全く意味しない．今後の探査を起源に持つ揮発性物質が外部から降着している，あや物質研究でこれらの定量が進められるべきなので，るいは，揮発性物質のフラックスや組成が時代と共にその一助とすべく，これらの成分を判別するための地

変化している，というような新たな可能性に目を向け

球化学的特徴を 2.4 節にまとめた．最後に，2.5 節では，るようになった．本論文では，宇宙物質サンプラーと定量評価が可能な 3 成分について，H，C，N，O の 4

しての月科学の今後について議論したい．

元素の月面降着・生成量を比較した．

月面において，揮発性物質の供給・生成と，その貯蔵は，必ずしも同じ場所で行われるわけではない．緯

2.1

太陽風

度経度を問わず月面全域において揮発性物質が供給・

太陽から吹き出すプラズマである太陽風が月面に入生成されるはずである．月面に到達した揮発性物質の射し，月面揮発性物質の重要な材料になり得る．太陽

一部は到達場所で表土に固定されるが，その多くは，

風は，水素が 95 ％前後，残りが，ヘリウムを始めそ更なる宇宙物質の到来や太陽光による熱や衝撃によりれより重い元素で構成される．元素組成比は，太陽光

表土から解放され，月面上空を移動し，一部は月の重球の推定値を中心に多少変動するが，その変動の大き

力を振り切り宇宙空間に逃散し，それ以外は他地点で

さは各元素の第 1 イオン化ポテンシャルに依存するこ

月表土に再捕獲される．この過程を繰り返すうち，やと が 知 ら れ て い る． 各 元 素 は， 例 え ば He , C

2+

（6-8）
+

（7-12）+, Si（6-16）+

, Fe

（4-6）
+

,

のように，高い価数にイオン化

がて，恒常的に低温が維持される高緯度において長期O

間月面上あるいは月面内に貯蔵される．上述が，揮発されている．平均速度は核種を問わず 300-800 Km/s，性元素が月極域に濃集する大まかなシナリオなのだが，典型的に 1 核子当たり 1 keV の運動エネルギーを持つ

これまでは月面表土内での過渡的な揮発性元素の振る[7]．月近傍における静穏太陽活動時のプロトン密度は舞いと月面上の元素・分子の移動について，そのシナ

10 particles cm 前後，あるいは 10

リオを裏付ける観測が大変手薄だった．しかし，最近と推定されている．

-3

8-9

-2

cm

-1

sec 程度

10 年間において，月試料やその模擬物質を用いた実

太陽風は太陽表層の組成を反映した同位体・元素組

験的研究や分析科学，および，月面上空でのイオン・成を持つと考えられている．このことを利用し，スペ

中性分子原子の観測が大きく進み，徐々にその理解がクトル観測では正確に推定できない太陽組成，特に同進みつつある．本論文では，特に月面における揮発性位体組成，を推定する取り組みが月表土試料を用いて物質の供給・生成と貯蔵の間のミッシングリンクを埋長年進められた（希 ガ ス [8]，Li[9]，N[10, 11]，C[12]，める知見として，月面上空観測を含めた移動過程（マO[13, 14]）
．これらの取り組みは，その後，太陽風をイグレーション）に関連した近年の成果に触れたい．

2. 様々な起源を持つ月面揮発性物質－その候補たち

捕集し地球に持ち帰る GENESIS 計画に引き継がれ，
20

14

Ne に富むネオン組成 [15]， N に富む窒素組成 [16]，16

O に富む酸素組成 [17] など，月試料を用いて推定された太陽同位体組成の特徴の多くが確認され，更に精本章では，月面に降着する，あるいは，月面におい密な推定値が提供された．上述の推定に，重水素に著て生成されると期待される様々な揮発性物質を，起源

しく欠乏した水素同位体組成（D/H<5 × 10 [11]）を加別に評価する．最初に，太陽風と小惑星物質に加え，え，これらの太陽風同位体推定値は，月面における揮これら 2 起源成分の月面への降着に派生して月面岩石

発性元素探査を今後進める際，検出成分の起源を推定

から生成される成分について述べる．以上 3 起源の成するための信頼すべき根拠となるものである．

-6分に共通するのは，月面における現在の降着・生成量

太陽風プラズマが月面に到達すると，その 0.1-1 %を粗いながらも定量評価が可能，という点である．しが同じ荷電状態・エネルギーで月面上に散乱される他■2019遊星人Vol28-1.indd

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は，表土に入射する [18]．近年の高速中性粒子（ENA）

降着した結果ではないか，と説明される．興味深いこの観測から，入射したプロトンの 8-28 % は，鉱物ととに，磁気異常域近辺において，宇宙風化度と共に，電荷交換し，鉱物表面で加熱され [19]，再び月面に解

水酸基による赤外吸収の濃淡が見られる [25]．これら

放されることがわかった．残りの 71-92 % は，鉱物のの地域は，水素の降着密度や水酸基の濃度が異なる場

構成元素と相互作用を繰り返しながら，鉱物内を典型

所が狭い範囲に隣接しており，将来，これら月面物質

的に約 50 nm 進んだ所で止まる．その後，太陽光，太を詳細に比較しながら月における水生成過程を検証す

陽風照射や微小隕石爆撃により鉱物が加熱されると，るのに適した場所かもしれない．

やがて鉱物内から表面に拡散し，月面に解放される．
揮発性元素が鉱物内に残留する期間は鉱物種に大きく

2.2

小惑星物質

依存する．イルメナイトやクロマイトなど月玄武岩に

月面には無数のクレータが見られ，隕石を始めとすよく見られる鉄含有鉱物が，特に高い太陽風保持能力る小惑星物質が月外由来物質供給に寄与することは想を持つことが知られている [20]．

像に難くない [26]．月面に降着する小惑星物質フラッ

月面は，約 1/4 の期間は太陽風が直接届かない地球

ク ス は， 地 球 に 降 着 す る フ ラ ッ ク ス か ら，

磁気圏尾の影響下に置かれるが，その期間以外，太陽Gravitational focusing 効果の補正を経て，見積もるこ

風プラズマが月面に直接入射する．地球磁気圏尾の影とが出来る．これは，月より地球の方が惑星物質に対

響や緯度による幾何学的効果などを考慮すると，月のする衝突断面積が大きい，すなわち，宇宙空間におい

緯度経度による太陽風照射密度が算出される [21]．月てより遠くを通りかかる物体を引き寄せることが出来

裏側赤道上，すなわち，遠地球点で最大密度を示し，る，という効果である．この効果によるフラックスの表側・近地球点ではその 30 % ほど，また，緯度が高補正は，天体と惑星物質の相対速度に依存するが，くなるに従い更に低い密度が期待される．以上が照射

1-9 倍程度と見積もられている [27]．地球成層圏中に密度に関して期待される大局的傾向だが，局所的な磁浮遊する微小地球外物質の直接捕集から導かれた推定場・電場の影響で，密度に濃淡が生じる可能性が近年[28] によると，地球に降着する小惑星物質フラックス

指摘されている．月極域クレータなど太陽風が直接届を質量ベースで評価した場合，その圧倒的割合が，巨かない月面域の上空において，上空から月面に向かう

視的な隕石ではなく，典型的には 200 μm 大の惑星間電場が生じるため，月面上空を素通りするはずの太陽

塵・微小隕石により担われており，地球に降着する地風イオンが曲げられて月面に照射されると数値シミュ

球外物質フラックスは（40 ± 20）× 10 kg/year と見積

レーションにより予想される [22]．彼らが見積もる局

もられている．

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所的プロトンフラックスは，遠地球点における最大フ微小隕石の多くは炭素質コンドライト隕石と同様のラックスより 2-4 桁少ないが，極域揮発性物質探査を

揮発性物質に富んだ組成を持つ [29]．大気の存在しな進める際には該当地域の水素供給源候補の一つとしてい月面に減速することなく降着した微小隕石は，おそ十分な検証が必要である．また，月面に局所的に存在

らくは完全蒸発し，含水鉱物，有機物，炭酸塩，硫化する磁気異常域において，太陽風が特異な挙動を示す

鉱物，更には酸化鉄として隕石中に含まれる揮発性元可能性が指摘されている [23]．月面局所磁場の存在の素が全て月面に解放されると期待される．ここでは，

ため，太陽から伸びる磁力線が曲げられ，その磁力線

揮発性元素に富む CI コンドライトを例に，月面に降に巻き付いた太陽風プラズマが月面磁場異常域直下に着した場合に解放される揮発性元素について大まかな届かない現象が提唱されている．該当する月面域では，見積もりを試みる．CI コンドライトの全岩組成 [30] をスワール（Swirl）と呼ばれる，宇宙風化度の濃淡が原元に，月面酸化還元状態で期待される酸化数に応じて因と考えられる渦巻き模様がしばしば観測される [24]．

金属元素に酸素を結合させ，その余剰に相当する揮発磁気異常域直下では宇宙風化度が相対的に低く，一方，性元素（H, C, N, O, S）
が全て月面に解放されると仮定

その地域を縁取るように宇宙風化度の高い地域が存在し算出する．月面の酸化還元状態で鉄は金属鉄またはする．後者は，磁気異常域直上において磁力線と共に

2 価鉄どちらかの状態にあることに注意して計算する

進路を曲げられた太陽風の一部が周辺月面に高密度でと，CI コ ン ド ラ イ ト 隕 石 1 kg か ら，（H）
21 g,（C）■2019遊星人Vol28-1.indd

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935 g,（N）3 g,（O）210-260 g,（S）54 g が解放されるこ太陽風と同程度のエネルギーを持つプロトンを岩石にとになる．CI コンドライトには含水鉱物が元々大量照射することにより，岩石中金属の還元が進み，さらに含まれるため，月面に解放される水素と「余剰」酸に，岩石内に水酸基が生成する事は実験的に確認され素の原子数比は 1 程度である．これは，太陽風の H/Oている（例，[32]）．また，近年の高エネルギー中性粒比が 2190 [30] であるのと対照的で，小惑星物質が，月子観測により，月面上空には酸素原子が観測されてお面における揮発性物質・水の生成に向け，太陽風にはり，月面において酸素を遊離させる過程の存在が予言

ほとんど含まれない酸素の供給源として，有力な候補されている [33]．

になり得ることがわかる．

上述の励起過程が進むとすると，月面上空に解放さ

コンドライト隕石などの始原惑星物質は地球や月のれた酸素と還元状態の金属元素は，月の昼間と同程度，

材料物質に相当するため，太陽風や彗星の組成に比べ

あるいはそれより短い時間で進む光イオン化を経て，ると，相対的に地球・月に近い元素・同位体組成を示

多くは月面に再び打ち込まれると考えられる [34]．酸

す．そのため，小惑星物質降着の地球化学的痕跡を月

素と金属元素が同じ割合で再打ち込みされ，月面で再試料で求めるのは，不可能ではないにしても，簡単で結合すると，結局，当初の高エネルギー励起源によるはない．例えば，多くの隕石は，月・地球とは異なる

遊離酸素発生の効果が打ち消される事になる．この予

酸素同位体組成を示すが，それらの全岩組成は月・地

想は，月面表土鉱物の微細観察の結果とほぼ調和的で

16

球組成を挟み， O の相対存在度で見てわずか 0.5 % 以

ある．月面表土鉱物の表層に見られる数十 nm 厚のリ内の変動でしかない．微小隕石の水素同位体組成を見ムの少なくとも一部は月面における蒸着が起源である

ると，個別の粒子では地球海水組成の 10 倍を越えると考えられている [35]．しかし，そのリム中に還元状

大きな異常を示す物も存在するが，多数は地球組成と態の金属元素は，一元素を除いて，見られない．そのほぼ同じ値を示す [29]．さらに，水素は D と H の質量

例外は鉄である．月面表土鉱物リムには極微小金属鉄比が大きいため，また，水素が動きやすい元素である粒子（npFe ）が普遍的に存在する事が知られており，ため，月面・月岩石圏内を問わず容易に同位体分別す

宇宙線や微小隕石に暴露された表土物質に見られる反る可能性があり [31]，2 倍程度以内の違いでは，起源

射スペクトルの変化，すなわち宇宙風化の原因であるの判別に使いにくい．後ほど 2.5 で述べるが，主要揮と考えられている．鉄の還元プロセスについて，太陽発性元素の中では，窒素同位体が小惑星物質降着の指風照射に伴う還元 [36] や微小隕石との衝突による衝撃標になり得る．

加熱に伴う還元 [37] など，様々な説があるのだが，そ

2.3

月面岩石

0

の原因解明に向けた興味深い成果が見られた．月面鉱物リムを表面から徐々に酸で溶解し，その鉄同位体を岩石とは，金属酸化物の集合体である．すなわち，分析したところ，鉄の同位体組成が月岩石や隕石中の岩石の構成原子の半数以上は酸素である．月面岩石に組成より有意に重い事がわかった [38]．鉄が岩石中において金属原子と酸素の間の結合が容易に切り離せる

おいて閉鎖系を保ったまま還元されると，質量保存則

ならば，岩石を月面にほぼ無尽蔵に存在する揮発性元により，鉄の同位体組成は変化しない．蒸発やスパッ

素供給源として捉えられるかもしれない．金属原子とタリングなどにより鉄が岩石から解放された場合でも，酸素を解離させる程度，すなわち，1 eV 程度以上のそれらの高温過程自体では鉄の同位体分別はほとんど

励起源は，月面において多く存在する．例えば，太陽

期待されない．岩石から鉄が解放された後，鉄蒸気の風プロトンの入射により月面岩石には 1 keV 程度のエ

挙動次第では，その凝縮物において同位体分別が期待

ネルギーが局所的に加えられる．月面に降着する惑星されるが，鉄蒸気が 100 % 月面に再凝縮すると，月面

物質は，例えば Si 原子に相当する原子量の場合なら，において鉄が全体として閉鎖系を維持したことになる

1 原子当たり 1 eV 以上の運動エネルギーを持つ．従っので，結局，凝縮物に系統的な同位体分別は期待されて，月面において，金属との束縛から解放された酸素ない．著者らは，鉄蒸気中の軽い鉄同位体が宇宙空間

を岩石から発生させるのは一見容易に見える．おそらに優先的に逃散し，その後，残りが月面に再凝縮した，

くは，この結論自体は間違っていないだろう．近年，

あるいは，打ち込まれた，と説明した．鉄の重い同位■2019遊星人Vol28-1.indd

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体を説明するには，岩石に元々含まれる鉄が，相当な同じ原子数だけ遊離酸素（Olabile）が生成したと仮定すエネルギーを伴い，月面上空に一旦解放される必要がると，最終的にどうしてもある，という解釈である．この成果を遊離
酸素の生成という観点で評価すると，元々月岩石中で[Olabile, mol/g] = [H, mol/g] / 500  …（2）は酸化鉄として存在した鉄と酸素が，月面上空で別々という簡単な関係が導かれる．すなわち，アポロ試料に遊離し，最終的に金属鉄だけが月面に蒸着した，との回収地点である月表側低緯度域において，約 500 個いうシナリオが描ける．すなわち，他の金属元素のよの太陽風プロトンが月表土に打ち込まれる間に，鉄のうに打ち消されてしまわない正味の遊離酸素発生メカ

還元により 1 原子の遊離酸素が正味生成すると見積もニズムが見えている可能性がある．今後，様々なタイられる．なお，Is/FeO 値は npFe の生成を反映した

0

0

プのリム中 npFe で同様の研究が進められると月面岩

指 標 と 解 釈 す る と [43]， 一 見，（1）式 は， 太 陽 風 と石から生成される遊離酸素生成の全体像が見えてくる

npFe 生成の間の因果関係を表しているように思える．

かもしれない．鉄以外に正味の遊離酸素生成に一部寄しかし，太陽風照射と微小隕石による爆撃は両方とも与する可能性があるのは珪素である．月表土鉱物リム

表土層最表面において鉱物が宇宙空間に暴露されていが報告されており中に微小な酸化珪素 npSiO（x=1-2）
xる間に進行すると考えられるので，npFe がどちらの[39]，Si が若干ながら還元状態で存在するかもしれない．

励起源で生成されても同様の関係が期待されるため，上の段落では，鉄の同位体に関する最近の成果を紹

上式で表される関係から必ずしも npFe の起源は判断介したが，月面上空に飛散した揮発性元素の挙動に関できないことに注意すべきである．
（1）（2）
式において，

連すると考えられる同位体分別効果は，1970 年代か

太陽風が照射されている間に，一定の比率で微小隕石ら見られている．鉄の場合と同じ手法，すなわち，表も降着していることが暗黙に仮定されている．

土試料の表面だけを酸で洗い落とすという手法で，O,Si, S や K の大きな質量依存同位体分別が見られている

0

0

0

2.4 定量的議論が現在難しい揮発性物質生成源[40, 41]．近年発達した様々な元素同位体の局所分析を以上に，粗いながらも定量的見積が可能な月面降着

組み合わせて，近年の月面上空元素・イオン観測とのフラックスを紹介した．ここでは，これら以外，現時摺り合わせを計ることにより，月面上の元素移動過程

点では定量的議論が難しいが，定性的には月面への揮の検証が進められるかもしれない．

発性物質供給に寄与した可能性があるフラックスを紹

ここでは，月表土岩石から正味発生する遊離酸素を介する．

粗く定量することを試みる．上述の通り，月面におけ（1）彗星る遊離酸素生成は太陽風や微小隕石降着などの励起源

氷を主成分とする彗星は月面への揮発性物質外部供の存在を前提としているので，酸素生成率の，励起源給源として当然期待されているが [26]，そのフラックとなるフラックスとの間の定量的関係を考える．様々

スの見積もりが難しいため，定量的議論がまだできななアポロ試料が宇宙空間に暴露された通算期間を表す

い．しかし，その寄与を特徴付ける同位体組成が判明

尺度として，成熟度（Maturity）という指標が考案されしつつあるので，これらを組み合わせることにより，ている．その中には，鉄の還元割合を表す磁化率（Is/

今後の月探査によりその寄与程度を推定できるかもし

FeO）や太陽風の照射量など複数の定量尺度が存在し，れない．

これらの間には良い比例関係があることが知られてい彗星の揮発性成分は，H2O 氷を筆頭に，CO, CO2,

る．例えば，Is/FeO 値と太陽風 Ar 量の間には，以36CH3OH や NH3 を始めとした様々な揮発性分子と有機

下のような関係が観測された [42]．

物から構成され，氷には以下に述べる希ガスが大量に

36

-10

[ Ar, mol/g] = 2 × 10 ・（Is/FeO）…（1）36

含 ま れ る [44]． 最 近 の 67P/Churyumov-Gerasimenko
彗星のその場観測により，重い Xe 同位体に欠乏した（1）式を元に，太陽組成 Ar/H 比 [30] や，Is/FeO 値と組成が判明した [44]．この彗星 Xe 成分を地球の大気

金属鉄 / 酸化鉄比の関係 [43] を考慮に入れ，更に，月Xe 成分と詳細に比較することにより，地球大気 Xe の岩石中の平均酸化鉄含有量を 5 wt%，また，金属鉄と22 ± 5 % は彗星から供給されたと示唆された [44]．月■2019遊星人Vol28-1.indd

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試料中の Xe 同位体分析は，Xe 濃度が極めて低いためいる．今後，月の表側と裏側で系統的に降着揮発性元

まだ確定的な結論は得られていないが [45]，彗星起源

素を比較するなどの取り組みで定量的検証を進める必推定・定量指標に今後なり得る．

要がある．

地上スペクトル観測から，彗星の D/H 比は地球に比べて約 2 倍の値を示すことがわかっている [46]．更に，
彗星を始めとした氷天体は，一般に地球・隕石全岩組
162.5

揮発性元素フラックスの比較

ここでは，ある程度の定量が可能な 3 つの起源，太成より O に乏しい酸素同位体組成を持つことが期待

陽風，小惑星物質および月面岩石，のフラックスによされている [47, 48]．月試料中に存在する金属鉄粒子

り月面に供給・生成される揮発元素量を比較する．図の中には，小惑星物質の全岩組成では見られないよう

1 に示されるのは，月面全域に 1 年間に供給・生成さ16

な O に乏しい組成を持つ酸化皮膜が発見されておりれる揮発性 4 元素の推定値である．水素は，月面に照[14, 49]，その起源として彗星も候補になり得る．

射された後，その最大約 30 % が直ちに表土を離脱す（2）月内部からの脱ガスることを考慮しても，太陽風が支配的な供給源である

月岩石圏には，地球マントルに比べても無視できな

ことがわかる．一方，他の揮発性元素は，太陽風より，いほどの量の水が含まれていることが最近の分析研究

小惑星物質起源や月岩石起源の方が優勢，あるいは，から明らかになった [2]．地球において火成活動に伴複数起源の供給起源量が競争的である．太陽風と小惑う脱ガスが重要なら，月面においても同様の事が言え

星物質起源が月面に競争的に供給される様子は，窒素るかもしれない．月面の火成活動が既に終息しているで明瞭に見られる．窒素の N/ N 比は，太陽風におため，現在のフラックスとしては期待出来ないが，過いて地球大気より約 40 % 低く [16]，一方，微小隕石で去においては重要なフラックスだったかもしれない．

は平均的に 20 % 高い [29]．月表土の全岩 N/ N 比には，

30 億年以前の月岩石圏からの脱ガス量を見積もった試料により，地球大気に比べて +10 % から -20 % まで

[50] は，脱ガス成分の一部が月極域に捕獲され，現在の変動が見られており [10]，これは，太陽風と小惑星

まで残留したと考えると，月極域で観測される水素・物質起源窒素が月面に競争的に供給され，その混合比

水濃集が説明できるのではないか，と提案する．月内が変動する様子を見ていると解釈されている．この混

15

14

15

14

部からの脱ガス量，特に過去におけるフラックスを推40定するのに，半減期 12.5 億年で放射壊変する K から40生成される核種の一つである Ar が役立つかもしれない．月面への始原希ガスの支配的な供給源と考えら
40

れ る 太 陽 風 に お い て， Ar の 存 在 度 は 非 常 に 低 い
4036（ Ar/ Ar = 0.0003 [30]）．ところが，月表土鉱物の表面に存在する希ガス，つまり，鉱物の外部から打ち込
ま れ た こ とが明らかな希ガス成分を分析す る と，
40

36

Ar/ Ar が 1 前後と，太陽組成より有意に高い値が観測されている．これは，月内部から脱ガスした成分
が，月面においてイオン化され，太陽風と共に月表土
鉱物に打ち込まれたものではないかと提案されている[51]．
（3）地球起源ガス
上述のように，月は約 25 % の期間，特に表側日照期間の約 50 % の間，地球磁気圏の影響下にある．その間に，地球から月表側に地球大気成分が運ばれる可能 性 が あ る． 特 に 地 球 大 気 に 多 く 含 ま れ る 窒 素，40

Ar [52] や酸素 [53] についてその可能性が提唱されて■2019遊星人Vol28-1.indd

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SOLAR WINDH ASTEROIDSCNO

LUNAR ROCK

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Mol / Year

図1： 月表土に供給される太陽風，小惑星物質，月岩石起源遊離
酸素量の比較. 月面全球の総量を推定した．月の表側における地球磁気圏の影響や，月面微小隕石降着量に影響を与橋爪 (2019) 遊星人えるGravitational Focusing効果などを考慮に入れた．推定各量には少なくとも数倍程度の不確定性を見込む．また，彗星を始めとして，現時点で定量が難しい揮発性物質
フラックスも存在することに注意してほしい．詳細は本文を参照．

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図1

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日本惑星科学会誌 Vol. 28, No. 1, 2019

合比の変動は，小惑星物質のフラックスが経年変化したためではないかと提案されている [54, 55]．
月面に供給・生成される遊離酸素は，太陽風以外，なると考える．

3.2

時間情報付き宇宙物質サンプラーに向けて

小惑星物質起源と月岩石起源のものが優勢である．こ

本論文では，現在の月面に降着する揮発性元素のフのことは，月面に水分子が存在するならば，その起源

ラックスについて概観したが，その年代に伴う変化をは太陽風起源水素と小惑星物質・月起源酸素のハイブ実証ベースで理解する取り組みは，太陽系物質進化史

リッドが有力である，ということを意味する．次に総を紐解く上で非常に重要である．月面表土は，原理的括するが，異なる起源の揮発性元素が月面で化合し，には，揮発性元素の降着史を，40 億年以上前から始

揮発性分子を形成する様子は，まだ十分には理解されまる月地殻形成以来記録する事が出来る．しかし，問ておらず，今後取り組むべき重要課題である．

題は，いつの過去，ということが特定できないことである．月表土は，その表土を構成する鉱物が，宇宙空

3. 今後の課題

間に面した最表面においてのみ物質降着を記録できるのだが，ガーデニング効果により，その構成鉱物は表3.1

水の生成過程解明に向けて土層の中を常に上下する．上で紹介した成熟度という指標は，あまりに成熟度が高く指標値が飽和しない限

月面への様々な起源の揮発性物質の降着・生成を概り，宇宙空間に暴露された通算期間に比例すると考え観したが，月面に降着した後については，物質ではなられているが，それは間歇的な短期照射を積算したもく，元素のみを論じていた事にお気づきであろう．このである．月表土に記録された暴露記録は，いつからの論文では，現時点でより議論がしやすい元素供給にとは明確にわからない過去から現在までの，部分的積関する知見を主に紹介したが，供給された揮発性元素分値である．

から揮発性物質，特に水が，月面においてどのように過去のフラックスをより明確に理解する取り組みと生成されるのかについての言及が少ない．これは，宇して，最近興味深い提案がなされた [56]．過去におい宙空間から，高いエネルギーを伴って物質が供給され，て何回も噴火した溶岩流に注目している．噴火は間歇

そのエネルギーを励起源として，二次的な揮発性元素

的に発生するので，噴火と噴火の合間には太陽風や惑

が派生するまでの過程がある程度記述可能なのに対し星物質が降着し表土が形成する．表土は多孔質物質なて，それ以後の低エネルギーの過程，つまり，化学のので熱伝導率が大変低い．表土の上を新たに溶岩が覆過程が複雑で未解明だからである．

っても表土層がある厚みを持てば，溶岩の熱は伝わら

既に紹介した通り，高いエネルギーを伴い月面に降ず，表土内部の揮発性元素が保持されたまま溶岩層に着した太陽風や惑星物質から生じた揮発性元素の多く

挟まれてそのまま残る可能性がある．挟まれた表土をは，月面に解放され，上空で再び加速されて月面に打調べることにより，表土形成時期の上限と下限が制約ち込まれる．そして，打ち込まれたイオンなどを励起された照射・爆撃記録を得られるかもしれない，とい源として，月面表土構成元素や鉱物表面で止まった太う発想である．将来の探査において，このような地層

陽風始め揮発性元素が，より低エネルギーで月面に放を調査する事により，宇宙物質サンプラーとしての月出される [34]．このような循環過程を繰り返す内に，表土の情報に，さらに時間という情報を付加すること

鉱物表面において水素と酸素が化合する，すなわち，ができ，月表土を用いた科学が進化するだろう．

水分子が生成する機会が生じるのではないかと予想する．低エネルギーで月面に放出される原子・分子は低謝 辞

高度にしか到達しないので，高高度からの月面観測では正確な観測が難しいかもしれない．今後，上空からゲストエディターである JAXA/ISAS の大竹真紀子の観測に加え，地上でのフラックス観測と，模擬物質

氏と長岡央氏には本著の編集作業，執筆依頼並びに原や月試料を用いた表面化学解明に向けた様々な実験・稿への助言をいただきましたことを深く感謝申し上げ

分析など，複数アプローチの組み合わせがより重要にます．また，査読者の大阪大学・佐伯和人博士には多■2019遊星人Vol28-1.indd

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月面に供給される揮発性物質とその起源／橋爪

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くの建設的意見をいただき，厚く御礼申し上げます．

[33] Vorburger A. et al., 2014, JGR Space Physics 119, 709.

本 研 究 は JSPS 科 研 費 JP16K13875，JP17H02992 の 助[34] Poppe, A. R. et al., 2013, JGR Planets 118, 1934.

成を受けたものです．

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