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日本惑星科学会誌Vol.13.No.3,2004

  
た[10]. 自然放射線などの照射効果により, それらの物質中にはラジカルが生成されると考えられる. 本研

外惑星における氷物質の電子スピン共鳴 (electron究の最終目的は, これらのラジカルを用いた, ESR

spin resonance, ESR) 年代測定の可能性を調べるため,によるエウロパ表面の氷断層年代測定の実現である.

鉱物中の自然放射性元素からの放射線や宇宙線などにその第一歩として, 本稿では, その原理的可能性につ

よって H2O, CH4, CO2, SO2 などを含む氷中に生成さいて検討し, 議論する.

れるラジカルの研究が進められてきた. いくつかのラジカルは, 彗星や外惑星, それらの衛星のような低温  (〜100K) の環境下で安定に存在することができる[1][2][3][4][5].

不対電子は磁場中におかれると, ゼーマン効果によ木星の衛星エウロパには, 図1のようにマントルと表面の氷地殻の間に, 液体の水の層 (内部海) があると言われている[6]. 表面の氷地殻は, 木星の潮汐力りエネルギーレベルが分離する. その電子スピンエネルギーは,E = gβHM … (2.1)

を受けて変形し, 割れる. その割れ目に内部海からので表される. ここで, H：外部磁場強度, β：ボーア

液 体 が 入 り 込 み , 表 面 の 低 温 環 境 下 (90K〜130K

磁子, g： g 値, M：磁場方向のスピン方向量子数で([7])) で凍って, エウロパ表面に数多くの断層地形ある. M から M +1の状態にエネルギーレベルが遷移をつくると考えられている[8].

するときのエネルギー差は,エウロパの海には MgSO4 が多く含まれていると言Δ E = gβH( M +1)− gβHM = gβH = 
ν… (2.2)

われており[9], 実際にガリレオ探査機の近赤外線マッで表される. ここで, ：プランク定数, ν：マイク

ピング分光計 (NIMS) のデータなどから, MgSO4がロ波周波数である. このエネルギー差に相当するマイ水和物として氷地殻表面に存在することが分かってきクロ波が照射されると, 不対電子はこれを吸収し, 共鳴が起こる (図2). これが ESR である.
ラジカルは不対電子をもっているため, ESR 法を用いて様々な情報を得ることができる. ESR は通常,磁場を掃引して測定し, スペクトルは吸収の一次微分として得られる. その ESR 信号を積分して電子スピン濃度 (ラジカル濃度) を求めることができる.
(2.1) 式の g 値は, 電子スピンと分子軌道との相互作 用に関連した値で, この値により ESR 信号が規定さエウロパ氷断層の ESR 年代測定における基礎研究／長谷川, 法澤, 矢田, 池谷181れる. 試料や測定器によらない物理量で, この g 値をできる ( ∝ ). 従って, その物質中のラジカル濃用いてラジカル種を同定する. また不対電子が, 核ス

度 と自然放射線による全蓄積吸収線量 D T (未知数)

ピン をもつ原子核による局所磁場を受けると, 信号の関係 (一般に, 図3のような飽和曲線を示すと考えが2 +1本に分かれる超微細構造 (hfs) を示すスペクられる) ,トルがみられる. これから, 周りにいる核スピンをもった原子核の配置等も知ることができる.

∝ = ( D T) … (3.1)
を求めることができれば, ラジカル濃度 と年間吸・収線量率 D から次のように被曝時間を知ることができる.
 [Gy]D T [Gy]−−−−−−−−−−−=−−−−−−−−−= 被爆時間[year]… (3.2)
・・
D [Gy/year]D [Gy/year]
ここで, 1 [Gy] = 1 [ J / kg ]である.
エウロパ表面における自然放射線による年間吸収線・量率 D は, 計算によって見積もられている (表面：6×106 Gy/year [11], 表面下数 m：6.8×10-6 Gy/year).
ここで吸収線量とは, 単位質量当たりの原子または分子が相互作用した放射線エネルギー量で, 必ずしもラ
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ジカル量と等価ではない.
被曝時間は, 断層活動が起こり, 液体が凍ってMgSO4 水和物がエウロパ氷断層表面に析出してからの時間である. つまり, ESR 年代測定が実現すれば,エウロパの氷断層がいつできたか, 断層活動がどのくらいの周期をもっているかなどを知ることができると考えられる.

エウロパの表面には, 宇宙線やイオ起源のイオンが降り注いでいる. また, 氷地殻内に含まれる放射性元素からの放射線も存在する. MgSO4を含む氷断層の物
質中にはこれらの放射線によってラジカルが生成され,時間経過とともに蓄積されると考えられる. しかし,熱的作用 (断層が動いたときの摩擦熱や, 氷地殻が割れて下から温かい液体が噴き出すなど) を受けると,ラジカルの濃度は一時的にゼロにリセットされ, そこから再度蓄積されると考えられる (図3). 断層表面に析出した MgSO4 水和物中のラジカル濃度 は, ESR測定により, その信号強度 という形で求めることがSTUV.(WX182

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
エウロパの氷断層には, 自然放射線によってどのよ溶液の氷に水素原子 (H0) の2本の超微細構造 (水素原子の核スピン = 1/2より, 2 +1 = 2 (本)) の信号がみられた (図4). H0は, H2O の解離によって生成うなラジカルが生成されているのか. また, そのラジカルは熱的にどの程度安定であるのか. そして, ラジカルの ESR 信号強度 と全蓄積吸収線量 D T の関係を調べるため, 実験室内でエウロパ氷断層表面にあると想定される物質を作成した. それらに人為的にγ線を照射し, 生成されたラジカルの振る舞いを ESR によっ    
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      て調べた.
測定試料として, MgSO4を含む物質,(a) MgSO4 ・7H2 O (エウロパの表面温度で十分安定である[12].),(b) 10％の MgSO4水溶液を77K で急冷した氷(エウロパ海水中の MgSO4 濃度は, およそ20〜30％と計算されている[9].),(c) 1％の MgSO4水溶液を77K で急冷した氷,(d) 0.1％の MgSO4水溶液を77K で急冷した氷を用いた. アルミホイルで包んだこれらの測定試料を液体窒素に沈め, それぞれについて77K で60kGy, 15kGy, 1kGy の 60Co のγ線 (〜1 MeV) を照射した.
ESR 測定は, マイクロ波周波数9.2GHz (X バンド)の分光器 (JEOL RE-1X) を用いて行った. 測定は全45
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



77K で60kGy のγ線を照射し, 77K で ESR 測定した各測定試料の ESR スペクトルを図4と図5 (330mT付近を拡大.) に示す. MgSO4・7H2O と10％, 1％水

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6cOe fg h&エウロパ氷断層の ESR 年代測定における基礎研究／長谷川, 法澤, 矢田, 池谷

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されるが, 純粋な氷や0.1％水溶液の氷には H0の信号が見られないことから[13], H0が安定に存在するためには, ある程度の濃度 (1％以上) の MgSO4 の存在が必要であることが分かった. 信号強度に差はみられるが, 0.1％水溶液の氷を除く全ての測定試料に共通して SO3-の信号がみられた (図5). 0.1％水溶液の氷では, MgSO4 濃度が小さ過ぎたために, 信号がみられなかったと考えられる. 表1に, それぞれの信号の g値と超微細構造の磁場の幅を示す.


ラジカルは, 熱を与えられると活性化エネルギーを得て安定分子へと変化する. 従って, ラジカルがある
温度でどのくらいの時間安定に存在し, 蓄積されるか調べなければならない. そこで, 77Kで60kGyのγ線を照射した MgSO4 ・7H2 O と10％水溶液の氷について等時焼鈍実験を行い, SO3-と H0の熱安定性を調べた. 90

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!" -%&'()*+!, -./ 0!12 345*67/89:;9<=)*Kから210Kまで10K間隔で昇温を行い, 各温度に5分間おいた後, 77Kで ESR 測定した. 温度上昇によるラジカルの ESR 信号の減少の様子を図6と図7に示す.

MgSO4・7H2O 中の SO3-は, 200K以上でもほとんど消滅することなく安定である. 10％水溶液の氷中では,190Kから消滅し始めた. H0については, MgSO4・7H2Oと10％水溶液の氷ともに90Kから消滅し始めた.

ラジカル濃度の減衰を単分子反応もしくは擬一次反応によるものと仮定すると, ESR 信号強度は= … (5.1)
で表される. ここで, は ESR 信号強度, は絶対温度 T [K]における反応の速度定数である. (5.1) 式を解くと,
= 
… (5.2)
exp が得られる. ここで, は焼鈍時間[s]である. また,
温度 T [K]における反応の速度定数は,
= exp 

%&'()*!" #$+!, -./ 0!12 345*67/89:;9<=)*… (5.3) と表される. ここで, E はラジカルが安定分子になるときの反応における活性化エネルギー, は反応の184

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頻度因子である. (5.2) と (5.3) より, 活性化エネル

短くとも1000万年程度までの ESR 年代測定の指標とギーと頻度因子を動かしながら測定データのフィッティなりうることが分かった. フィッティングから求まっングを行った (図6, 図7の実線). また温度 T [K]でたパラメータで外挿したアレニウスプロットを図8にのラジカル寿命τは,示す.

=… (5.4)  で表される. フィッティングにより求めた各パラメー

各測定試料の SO3 - , H0 について, ラジカルの ESRタの値と, それらの値から見積もったエウロパ表面平信号強度 と全蓄積吸収線量 D T の関係 (3.1式), ま

均温度110K でのラジカル寿命を表2に示す. 10％水溶た D T に対する の飽和の程度を求めるため, 線量依液の氷中の SO3 - のフィッティングは多少強引ではあるが, 実験データは190K 付近で明らかな減少傾向を示していることから, ここで求めたτは下限値として考えたい. H0 の寿命はかなり短いが, SO3-はエウロパ
温度環境下で1000万年程度の寿命を有することが分かった. 従って, 熱安定性のみの議論においては, SO3-は存性を調べた (図9, 図10). 全ての信号について, γ線吸収線量に応じて ESR 信号強度も増加した. 吸収線量に対するラジカルの増加を,= 
 exp 

… (5.5)のような飽和曲線でフィッティングした. ここで, はγ線吸収線量, D は = D のとき信号が飽和するとみなした飽和吸収線量である. フィッティングにより求められた D の値を表3に示す.

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エウロパ氷断層の ESR 年代測定における基礎研究／長谷川, 法澤, 矢田, 池谷

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従って, 極めて表面に近いところに存在する氷はESR 年代測定には向かないと考えられる. しかし,イオンや電子はエネルギーが小さく, 表4にも示すように表面から数ミリメートルのところまでしか到達しない. 従ってエウロパ表面から深さ数メートルのとこ・ろでの D は, 氷中に含まれる自然放射性元素からの放射線による内部被曝のみとなり, 3.5×10-3 Gy/year[14]と見積もられている. しかしこの値は, 彗星核の氷が, 核中にともに含まれる岩石中の自然放射性元素・からの放射線によって受ける内部被曝の D の推定値である. エウロパは分化しており, 氷地殻に含まれる岩石の量も彗星核に比べると少ないと考えられること・から, この D = 3.5×10-3 [Gy/year]という値はいくら)*)(+',()-./0 !"#$ % &'(1# 2%3 4#5 678 9#5 6780

か過大であると考えられる. そこで, 氷の内部被曝に・もっとも関与すると考えられる 40Kの濃度から D の値を計算した. エウロパの内部海中の K 濃度は, 0.0768[g kg-1 water]と見積もられている[15]. 内部海の液体が凍って地殻の氷になったとすると, 氷地殻中の氷・が 40K から受ける内部被曝は, D = 6.8×10-6 [Gy/year]と計算される[5]. 従って本稿では, エウロパ表面か・・ら深さ数メートルのところでの D は, この D = 6.8×10-6 [Gy/year]という値を用いる. 内部被曝に関与する放射線は, ほとんどが0.1MeV 以上のエネルギーを持つと考えられ, 0.1MeV 以上の範囲ではラジカルの> %? @AB C$ <=DE:;
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生成量に放射線エネルギー依存性はないということが分かっている[5]. 従って, ESR 年代測定においては,深さ数メートルのところから採取したサンプルを用いることが望ましい.

飽和吸収線量 D をエウロパ表面での自然放射線に・よる年間吸収線量率 D で割ることで, 信号が飽和す

・
エウロパ表面下数メートルでの年間吸収線量率 D =6.8×10-6 [Gy/year] (計算値) から各信号の飽和年代
SO3-, H0の信号ともに10億年・オーダーの飽和年代をもつ. また, D =3.5×10-3 [Gy/る年代を求める. エウロパ表面での年間吸収線量率は・D = 6×106 [Gy/year]と見積もられている[11]. このを見積もった (表3).

ほとんどは, 木星やイオからのイオンや電子で, 地球・表面での D = 1×10-3 [Gy/year]に比べるとかなり高い.

year][14]という値を用いたとすると, SO3 - の信号は1000万年, H0の信号は100万年の飽和年代をもつ. 従っ

エウロパ表面の氷中では, ラジカル濃度が飽和しやすて, ラジカルの飽和だけからの議論においては, SO3-,

く, 様々な種類の放射線の照射効果や高密度の格子欠H0 ともに10億年 (短くとも, SO3 - は1000万年, H0 は陥間の相互作用による複合欠陥の生成も考えられる.

100万年) オーダーの ESR 年代測定の指標となりうる186ことが分かった.
しかしながら, 次の点に注意しなくてはならない.
図9, 図10からも明らかなように, 線量依存性の曲線

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D T を一意に決定することができる. この方法は, 人為的付加線量法として知られ, 地球上の化石や考古遺物の ESR 年代測定に用いられている.

は水溶液の濃度に大きく依存する. つまり, 仮にエウロパの氷が採取され, 同時に氷中のラジカル濃度が測定できたとしても, 水溶液の初期濃度に関する情報が得られなければ年代が決定できないということになる.

本実験において, ラジカルの熱安定性から SO3 - は

この問題は, サンプル採取時にラジカルの信号強度を短くとも1000万年程度までのエウロパ氷断層 ESR 年測定するだけでなく, 信号強度 と全蓄積吸収線量代測定の指標となりうることが分かった (表5左列).

D T の関係も同時に調べることで解決できる. すなわ

また, ラジカルの線量依存性から, SO3-, H0ともに10

ち, 採取したサンプルに対して, 図11に示すように人億年 (短くとも, SO3-は1000万年, H0は100万年) オー

為的に放射線を照射し, ESR によってラジカル濃度ダーの ESR 年代測定の指標となりうることが分かっの変化を記録する. こうすることにより, サンプルのた (表5右列). これらの結果から, SO3 - を用いれば

- D T 曲線を完成させることができ, 全蓄積吸収線量1000万年程度のエウロパの氷断層 ESR 年代測定が原理的には可能であることが示された. 現在のところ,エウロパに関する今回の研究は多くの仮定の上に成り立っているため, ESR 年代測定が即座に実現可能であるとは言えない. しかし, エウロパ表層の年代測定法の一手法としての可能性は示すことができたと考えている. 実現可能となれば, 氷地殻表面のリニア地形 !"#!$#!%&'()* +,+-./0'123456,78
9:;<=8 :: > +,?@+A(リッジやバンド) など液体の水の噴出を伴って形成されると考えられる地形や断層活動などの熱的作用を伴う地形変化の活動年代を測定することができ, エウ
ロパ表層の詳しい活動の様子を知ることが可能となるだろう.
しかし実際, ESR 年代測定法を用いてエウロパの氷断層の年代を評価するためには様々な課題がある.
氷中には MgSO4 以外にも多くの不純物が含まれていると考えられ, その物質による影響や実際の水和物等の結晶状態, また低圧環境や放射線照射作用等による結晶状態の変化がラジカルやその濃度に与える影響,実際の放射線環境など, 更に拡張して考慮しなければならない項目は数多く残されている. こういった課題

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cdeEFNo3lV' pの多くを解決できる方法は, サンプルの採取とそのリターンである. リターンにおいては, サンプルを常にエウロパ環境での温度で保持し続けなければならないという問題がある. リターンが不可能でも, 探査機にエウロパ氷断層の ESR 年代測定における基礎研究／長谷川, 法澤, 矢田, 池谷

小型 ESR 分光器を搭載して現地で自動測定する方法も考えられる. しかし, 前章で述べたようにサンプルに付加線量法を施す必要があるため, 小型 ESR 分光器とともに放射線照射装置の搭載も必要になってくる.

18727, 399-403.
[4] Norizawa, K. et al., 2000: Appl. Radiat. Isot. 52,1259-1263.
[5] Ikeya, M., 1993:  

この搭載用放射線照射装置については, 0.1 MeV 程  

度の放射線ならば X 線管で発生可能である. 最も困World Scientific Publishing, Singapore.

   ,難を極めるのは, サンプル採取であると考えられる.

[6] Zimmer, C. et al., 2000: Icarus 147, 329-347.

表面下数メートルのところからサンプルを採取するた[7] Spencer, J. R. et al., 1999: Science 284, 1514-1516.

めには, 着陸探査が不可欠である. しかし, 2011年以[8] Greenberg, R. et al., 1998: Icarus 135, 64-78.

降には,[9] Kargel, J. S. et al., 2000: Icarus 148, 226-265.

Jupiter Icy Moons Orbiter

計画[16]も検討されており, 将来の着陸探査や表面掘削に向けた予備探査の意味も含めているので, 見通し明るい報告を期待したい.

[10] McCord, T. B. et al., 1999: J. Geophys. Res. 104,11827-11851.
[11] Carlson, R. W. et al., 2002: Icarus 157, 456-463.
[12] McCord, T. B. et al., 2001: J. Geophys. Res. 106,3311-3319.
[13] Yada, T. et al., 2002: Jan. J. Appl. Phys. 41,5874-5880.
[14] Cooper, J. F. et al., 2001: Icarus 149, 133-159.
[15] Zolotov, M. Y. and E. L. Shock, 2001: J.

!"#   

$ %&"# 'Geophys. Res. 106, 32815-32827.
[16] Jupiter Icy Moons Orbiter Home Page:
http://www.jpl.nasa.gov/jimo/
大阪大学産業科学研究所でのγ線照射において, 池田氏には大変お世話になりました. また査読者の先生,倉本圭編集長には, 非常に有益な御指摘, コメントを頂きました. この場を借りて, 深く感謝の意を表させて頂きたいと思います.

[1] Tsukamoto, Y. et al., 1993: Appl. Radiat. Isot. 44,221-225.
[2] Kanosue, K. et al., 1996: Appl. Radiat. Isot. 47,1433-1436.
[3] Kanosue, K. et al., 1997: Radiation Measurements