MELOSの目指す火星表層科学探査／杉田 他

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特集：MELOS火星複合探査の科学検討

MELOSの目指す火星表層科学探査
杉田 精司 ，宮本 英昭 ，橘 省吾 ，岡田 達明 ，出村 裕英 ，
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大森 聡一 ，並木 則行 ，高橋 幸弘 ，三浦 弥生 ，長尾 敬介 ，
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三河内 岳 ，佐藤 毅彦
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2009年4月21日受領，2009年5月13日受理．

（要旨）我々はこれまでの火星複合探査ワーキンググループの中で，MELOSの着陸機によってどのような火星表層探査を行うべきか，またどのような測定によって実現されるのか議論を行ってきた．本稿では，その議論で見えてきた火星着陸探査による表面探査の科学目標と搭載機器候補について解説する．

1. 火星探査の魅力は表層探査にありまでの米欧の火星探査計画の歴史は，その証拠を１つずつ発見してきた歴史でもある．ここで，このようなこの見出しに「MELOSは火星の様々な層や圏を調寒冷乾燥気候（雪玉地球状態）と温暖湿潤気候の間の遷べる複合探査ではなかったのか？」と危惧される読者

移は，火星に限られた現象ではなかったのかもしれなもいるかもしれないが，その心配は必要ない．心配がいことを一言付け加えたい。現在は温暖湿潤気候にあ要らない理由は後述することとして，なぜ表層探査がる地球も雪玉状態に何度も陥ったことが判明している

最も魅力的なのかをまず説明したい．例えば，火星大[e.g., 5, 6]．しかし，地球が何をきっかけとして雪玉状気の散逸機構を理解することがなぜ重要かという問態に陥っていたのかなど，未解明な点も多く残されて題提起をする際には，MarinerやVikingによって明らいる。この意味でも火星の温暖湿潤気候の維持機構とかにされた火星表面に残る流水地形[1]やMars Global

その終息の機構を探ることは非常に重要である。

SurveyorやOpportunityによって発見されたヘマタイト（Fe2O3）の 存 在[2]， さ ら に はMars Expressお よ び
MROが見つけた粘土鉱物（図１，[3, 4]）などが必ず挙げられる．これら火星表層に残された地質学的証拠は，現在では全球凍結した寒冷乾燥気候を持つに至っている火星が太古には温暖湿潤気候を持っていた可能性を示している．この惑星気候の大変遷こそ，現代惑星科学上の最大の問題と言っても過言ではない．この問題が存在するからこそ，火星の探査はプラズマ圏も大気圏も固体圏も非常に面白くなるのである．太古の温暖湿潤気候の証拠は，火星の表層に残っている．これ
1. 東京大学
2. 宇宙航空研究開発機構
3. 会津大学
4. 東京工業大学
5. 千葉工業大学
6. 東北大学
sugita@k.u-tokyo.ac.jp

図1： MROに搭載されたHiRISEが撮影したNili Fossae南部の地溝帯の断層崖の擬似色画像 (PSP_007200_2005の一部．画像幅は400m)．緑・青色は風化を受けていない塩基性岩を，薄褐色は粘土鉱物を示す．画像の右下に粘土鉱物の数10mの大きさの塊が見える．これらの塊には，さらに層構造が観察される(Mustard et al., 2009)．画像提供：NASA/JPL/University of Arizona.

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また，火星表層は垂直方向にも水平方向にも非常にている．当初は，分厚い二酸化炭素大気による非常に変化に富んでいることが分かっている．これまで着陸

強力な温室効果があれば，火星にも温暖湿潤気候がもしたことのないタイプの地質区分の土地に着陸すれば，たらされると予想されたが[9]，CO2の凝結が障害とな従来の探査では見えていなかった地表の様相が発見さるために二酸化炭素の温室効果のみでは火星に温暖湿れる可能性は非常に高い．当初さしたる発見がなかっ

潤気候をもたらすことはできないことがKasting [10]たと思われた火星探査車Spiritも，数kmの道のりを移の計算によって判明している．さらに，温暖湿潤気候動するだけで過去の熱水循環系を強く示唆する証拠をが急速に終了した原因については，有力な手掛かりはつかむなど大きな発見をもたらした[7]．一方，Spirit得られていない．

から数千km離れた地点に着陸したOpportunityは，早加えて，最近の詳細なリモートセンシング探査にいうちから水の存在を示す多くの証拠（斜交層理，ヘよって解明されてきた火星の表面付近の様相は，非マタイト，硫酸塩岩など）を発見するなど大きな成果常に解釈が困難なものである．端的に言えば，相互を挙げた[e.g., 2, 8]．さらに，火星にはこれまでたったに矛盾したようなデータが幾つも見つかるのである．の６機しか着陸による科学観測に成功した探査機がな

まず，その例は表面組成の分布である．Mars Global

い．とても火星の主要な地質区分の全てを見てきたとSurveyorの熱赤外線観測によって得られた火星表面は考えられない状況である．MELOS探査によってこには，風化が進んだ玄武岩であることを示唆する成れまでと大きく異なるタイプの地質区分の土地に着陸分（SiO2量に富む）が濃集した地域と新鮮な玄武岩成分すれば，全く新しい火星表層についての発見がある可（SiO2量に乏しい）が濃集した地域にはっきりと分かれ

能性は非常に高い．極論をすれば，惑星地質学的に新ることが判明している[11]．しかし，Mars Odysseyに奇性のある地点に着陸しさえすれば，大した戦略なし

よるγ線分光計測は火星全球の至る所でK/Th比がほに凡庸な観測装置を搭載したとしても大きな発見がなぼ一定であるという結果を出しており[12]，火星の表される確率はかなり高いとさえ言える．

層物質が水質変成の影響をほとんど経験していないこ

しかし，それでは，多額の予算を投入して行う探査とを示している（Kは水溶性であり，Thは難水溶性で計画には不十分な企画であると言わざるを得ない．火あるので，水質変成があればK/Thは大きく変化する）．

星探査機を日本から送り込むに当たって，どのようなこの観測事実は，風化した玄武岩が地域的に濃集し戦略で表層環境探査を企画すれば最も大きな発見がなているという上の推定と非調和的である．第２は流されるのか考えるべきある．そのためには，過去の火水地形と対応する堆積層の関係である．Mars Global

星表層探査を振り返り，その実績を踏まえて計画を練SurveyorのMOCな ど 種 々 の 撮 像 カ メ ラ か ら は 流 水ることが重要である．

地形が報告されているのに対し[1]，Mars ExpressのMARSIS やMROのSHARADによるレーダーサウン

2. 火星表層探査の現状

ダー計測からは，流水地形の河口部に近い場所に堆積地層らしき成層構造を見つけたという報告はされて米欧の数々の火星探査機によって明らかにされてきいない．それどころか，Outflow channelの分布や海た様々な火星表層についての知見をここで包括的にレ岸段丘様の地形分布から大きな海が存在していた可ビューすることは困難である．ここでは，多少の偏り能性が指摘されている北部低地[e.g., 13, 14]の一部であをお許し願った上で，その概略を記すことにしたい．

るAcidalia平原やChryse平原に見られる数々の小クレ

まず，火星表層には，30数億年以上昔の時代においてーターの内壁面にできた露頭の近赤外反射分光計測温暖湿潤気候が存在していた可能性が高い[e.g., 1]．し（MRO搭載のCRISM）からは，表面近くの浅い層がカかし，その時代の後には寒冷乾燥気候が卓越し，流水ンラン石を含んだ玄武岩質の溶岩でできていること地形の形成や含水鉱物の生成などは全て停止してしまが報告されており，含水鉱物などは見つかっていなったと考えられている．しかし，太陽光度が現在より

い[3, 15]．第３は，含水鉱物の組成である．Outflowも３割程度低かった30億年以上昔の当時において温暖channelが注ぎ込み太古には海であった可能性の指摘

湿潤気候を維持することは非常に難しいことが分かっされる北部低地には含水鉱物は見られないが，南部MELOSの目指す火星表層科学探査／杉田 他

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高地の崖地には含水鉱物が多々観測されている[e.g.,

で受けるため，地球の超長期の気候進化の理解に必要

3, 16, 17, 18]．ただ，火星に発見された含水鉱物には，だったように，惑星を構成する全ての層の基礎量およ酸性環境で不安定な粘土鉱物と酸性環境で形成されるび各層間のエネルギーおよび物質の輸送量を知る必要硫酸塩鉱物の両方が含まれている．この両者が同時にが生じる．しかし，これまでの米欧の火星探査計画は，安定に存在できる条件を作ることは大変に難しい．火

このような惑星システムの理解という視点が強く意識

星の表層環境は，アルカリ性であったのか酸性であっされたようには見えない．むしろ，惑星システム全体たのか，地域的に大きな違いがあったのか，難しい問の理解より先に水や含水鉱物の発見に主眼が置かれて題である[3, 17]．このように，どの観測データを重視きたように見える．つまり，火星という惑星システムして解釈を行うかによって，描かれる火星の表層環境を制御している基礎量（例えば，中心核半径，地殻厚，の描像は大きく揺らいでしまう状況となっている．現

大気散逸量，地殻熱流量など）の観測にはあまり力が在の火星研究は，詳細が分かれば分かるほど解釈が難注がれてこなかった．その結果，記載学的視点からはしくなるというフェーズにあるのかもしれない．

大変に重要な発見は多数あったものの，火星の表層環このような，相互に矛盾したように見える表層環境の記録をどのように解釈すべきかについては，確立した解はまだ見つかっていない．しかし，手掛かりがないわけではない．例えば，火星表面に残された相互に不調和な地質記録は，火星の異なる気候モードの痕跡

境システムの本質的な理解はあまり進展してこなかったという現状に繋がっている．

3. MELOS着陸機による表層探査の科学目標と搭載候補機器の重ね合わせであると解釈すれば，矛盾なく理解できこのような認識に基づき，本探査計画の火星表層探る可能性がある．例えば，流水地形が形成した温暖湿査では従来の米欧の探査計画とは異なった考え方で臨

潤気候の時代にも２つの区分があり，前期にはpHがみたいと考えている．本探査計画では，火星表層に面高い環境が卓越し，大規模火成活動を境にpHが低い白い発見を目指すことを最優先するのではなく，表層環境に遷移したという提案が出されている[3, 17]．もを固体圏と大気圏の相互作用の境界面と捉え，この境しこの仮説が正しければ，粘土鉱物（アルカリ性環境界面を通してどのような物質交換がなされてきたのか下で安定）と硫酸塩鉱物（酸性環境下で安定）の両者がを調べることを第一の目標とする．具体的には，火成同時に地表に存在した必要がなくなるため，鉱物安定活動による脱ガス過程（固体層から大気へのガス付加），性についての上記の矛盾は解消される．もちろん，な表土と大気の化学反応過程（大気から固体層へのガスぜ一時期のみに火成活動が活発化したのか，またそれ取り込み）という大気層と固体層の間のガスのフラッが火星表層全体のpH変化を起こすのに充分であった

クスの解明が中心課題となる．のか否かなど不明な点は多々ある．しかし，粘土鉱物

これらは，プラズマ圏を通した大気の散逸過程[19]，の産する年代区分が硫酸塩鉱物を産する年代区分より大気中の水蒸気輸送過程[20]，固体火星の内部活動[21]系統的に古いという観測事実が二つの種類の含水鉱物と並んで，火星の多層間物質循環を理解する上で非常が共存できない問題の解決に繋がるかもしれないとのに重要な過程である．このように火星の主要な多圏間指摘は一考に値する．さらに，その後に現在の全球凍物質循環についての理解が同時に進展すれば，火星の結型の乾燥寒冷気候に遷移があったとすれば，火星は表層環境システム全体の描像を塗り替えることができ２度の大きな環境遷移を経て進化してきたことになる．

ることが期待される．逆に言えば，表層探査のみを行このような火星環境システムの大きな遷移があった

ったのでは火星表層の真の理解には繋がらず，従来のとすれば，大気圏のみあるいは固体内部構造のみを対米欧の探査計画が軽視してきた点も含めてプラズマ圏，象とした単一の探査では，その実像に迫るのは大変に大気圏，固体圏の全てを総合的に調査し，相互作用因難しいことが予想される．それは，このような環境シ子を定量的に把握することが火星の表層環境システムステムの大きな遷移は，非線形システムに特有な多重の理解に繋がるのである．
これが，冒頭で「心配はない」解の間の相転移である可能性があるからである．気候と述べた理由である．

非線形システムは多層間の相互作用の影響を複雑な形

このような目的を達成するために，表層探査に関し

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日本惑星科学会誌 Vol.18, No.2, 2009ては以下のような測定と装置が提案され，検討が重ね分析でK量を定量，その後，秤量した試料をオーブンられている．

で加熱し，抽出した Arを四重極型質量分析計で定量

a. 大気の希ガス同位体計測し，K-Ar年代を決定することを計画している．

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希ガスおよびその同位体は化学反応に関与しない特g. 地中レーダー性のため，内部からの脱ガス量や大気からの散逸量の着陸地点の地質学的構造を理解するには，周辺の地制約に有効に用いられうる核種である．四重極型質量下浅部の構造を知ることが近道である．また上述のよ分析計を用いて，火星下層大気希ガスの全同位体組成うに，表層環境の過去の変動に応じて表層の土砂が変の決定を行い，大気形成進化史に定量的制約を与える性している可能性があり，高い解像度で深度方向のための基礎データを取得することを検討している．

構造を知ることが重要である．こうした理由から100b. 気象計測

MHz程度の電磁波を利用した地中レーダー法を用い着陸地点における基礎的な気象観測量（気温，気圧，湿度，風速，風向）を計測する気象計測パッケージのて地下構造を探査することが検討している．

h. 電磁場計測搭載を検討している．これは，着陸地点の基礎的記載

火星表層においては，ダストデビルなどに伴った放を行う上で不可欠の観測量でもあると同時に，オービ電現象が多く起こることが報告されているが，その詳ターからの広域観測との連携により火星気象観測につ細はほとんど未解明である．このような大気放電現象いての大きな相乗効果も期待される．

は，火星の大気化学に大きな影響がある可能性がある．

c. 着陸地点近傍の概観的観察とサンプル選定

また，電磁場計測は浅部の地下構造を調査に非常に有先に述べたように，火星表層には，異なる時間の異効な手法でもある．この２つの目的のためにダイポーなる表層環境を記録した岩石・鉱物が露出している様

ルアンテナによる電場観測，ループアンテナによる磁である．それゆえ，調査地点の地質学的文脈情報が重場観測などを検討している．

要である．これを得るために，可視・赤外域のカメラ科学測定機器そのものではないが，表層探査の成群と高速度かつ高空間分解能で周囲の物質の元素組成否に非常に重要な鍵となる装置がある．それは，移を計測できるレーザー誘起元素分析器（laser-induced動手段である．繰り返しになるが，火星表面は非常

breakdown spectroscopy, LIBS）の搭載を検討していにバラエティーに富むため，1 km程度の距離であっる．これらの装置の連携運用により，以下で述べる詳ても移動することによって観測される事象が大きく細物質計測のためのサンプル選定も実施する．

異なるというのが，これまでの火星探査の実績から得d. 火星表層物質の元素組成計測られた教訓である．例えば，昨年2008年に着陸した着陸地点での岩石試料の全岩化学組成分析のためにPhoenix探査機の例からも移動手段の必要性は痛感さ

蛍光X線分析（XRF）装置の搭載を検討している．着れる．Phoenix探査機は水氷などを見つけたというこ

陸地点岩石の化学的記載だけでなく，後述する年代計とでニュースにはなっているが，火星の極域に水氷が測において必要な火成岩中のK濃度の定量分析にも使あることは大方が予想していたことである．時間を掛用することを検討している．

けた詳細解析の結果を待たないと最終的な評価はでき

e. 火星表層物質の鉱物分析

ないが，現時点においてPhoenix探査機は大きな驚き

岩 石 中 の 鉱 物 種 の 決 定 を 目 的 と し たX線 回 折をもたらしたとは言いにくい．これは，運用期間が短（XRD）装置の搭載検討を行っている．火成岩や表層かったことと移動手段を持っていなかったことの２つダストの鉱物種分析，およびそれらにおける風化鉱物が大きなハンディとなったと思われる．Spiritが調査の存在の有無の確認に使用する．

場所を変えることによって大きな発見に辿り着いたことと好対照である．ローバーなどの移動装置は，火星

f. 年代計測4040

火 成 岩 のK-Ar年 代 測 定（ K→ Ar [半 減 期12.5億

表層探査を成功させるために欠くことのできない性能年]）を行い，火星でのクレーター年代学のための年代である．あるいは，例えば極端に機能を絞った軽量のアンカーを決定することを目指している．火成岩から，観測装置を空中から散布するなどといった，新しい発風化の影響の少ない内部の部分を取り出し，X線蛍光想による探査手法についても並行して検討すべきかもMELOSの目指す火星表層科学探査／杉田 他

しれない.

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[5] Kirschvink, J. L., 1992, The ProterozoicBiosphere, Cambridge Univ. Press, 51‒52.

4. おわりに[6] 田近英一, 2007, 地学雑誌 116, 79‒94.
[7] Squyres, S. W. et al., 2008, Science 320, 1063-1667.

大気計測や固体内部計測が，着陸地点からは大きな[8] Squyres, S. W. et al., 2006, Science 313, 1403-1407.

影響は受けないのに対し，表層探査は着陸地点の選択[9] Pollack, J. B. et al., 1987, Icarus 71, 203-224.

が成果の多寡を決めてしまうと言っても過言ではない．

[10] Kasting, J. F., 1991, Icarus 94, 1-13.

これは，全く同じ計測装置が全く同じように作動して[11] Wyatt, M. B. et al., 2004, Geology 32, 648‒654.

も当初の成果が大きく異なったOpportunityやSpiritの[12] Taylor, G. J. et al., 2006, J. Geophys. Res. 111,

例に見られるとおりである．その一方で，着陸地点のE03S10, doi:10.1029/2005JE002645.

選択如何によっては搭載測定装置の種類も変える必要[13] Parker, T. J. et al., 1993, Icarus 98, 11,061-78.

が出てくることは容易に想像がつく．しかし，米欧の[14] Head, J. W. et al., 1999, Science 286, 2134-2137.

火星探査計画が進行または計画されつつ現状では近[15] Salvatore, M. R. et al., 2009, LPSC 40, #2050.

い将来に新たな発見や描像が提起される可能性も高く，[16] Poulet, F. et al., 2005, Nature 438, 623-627.

あまり早い段階で着陸地点の選択をしてしまうと目指[17] Bibring, J. P. and Y. Langevin, 2008, in The

すべきサイエンスの議論が狭くなってしまう危険性もMartian Surface, Cambridge Univ. Press, 153-168.

ある．そのため，これまでのワーキングループのなか[18] Bishop, J. L. et al., 2008, Science 321, 830-833.

での議論では着陸地点についての議論は拙速を避け，[19] 寺田直樹ほか，2009，遊星人

今後の議論の余地を大きく残してある．しかし，科学[20] 今村剛ほか，2009，遊星人

目標についての大きな方向性が見えてきた現段階にお[21] 小林直樹ほか，2009，遊星人

いては，探査の科学目標に関連して着陸地点の選定作業も進めていく必要がある．この議論には，地球惑星科学の広い分野の研究者の参加が望まれ，また参加の余地が残されている．今後はさらに多くの研究者の参加を期待したい．

謝 辞
査読者の栗田敬博士には，的確かつ非常に建設的なコメントをいただきました．また，本稿を書くにあたっては，阿部豊博士，倉本圭博士および火星探査ワーキンググループの多くのメンバーの方との議論が大変参考になりました．ここに感謝の意を表します．

引用文献[1] Carr, M. H., 2006, The Surface of Mars,Cambridge Univ. Press.
[2] Klingelhöfer, G. et al., 2004, Science 306,1740-1745.
[3] Bibring, J. P. et al., 2006, Science 312, 400-404.
[4] Mustard, J. F. et al., 2009, LPSC 40, #2115.

本号.
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