地球惑星圏物理学
第1回：地球惑星圏物理学概論
担当：黒川 宏之 (東京工業大学)
1
自己紹介
黒川 宏之 (くろかわ ひろゆき) 東京工業大学 地球生命研究所
専門は“惑星の形成と進化”の理論研究 連絡先：[email protected]
※講義以外の時間は明治大学にいません 講義終了後、スライド・ノートを
https://members.elsi.jp/~hiro.kurokawa/lecture/
に掲載します
2
4/11 ：地球惑星圏物理学概論 4/18 ：天体の運動
4/25 ：太陽系の構造, 化学組成 5/2 ：惑星系の形成
5/9 ：太陽の構造, 太陽活動 5/16 ：惑星間空間
5/23 ：惑星磁気圏
5/30 ：惑星大気の構造(1)
3
この講義について
成績評価
出席 60 %, 中間&期末レポート
やむおえない事情で欠席した場合、
希望者には出席点に代わるレポート課題を出します
6/6 ：惑星大気の構造(2) 6/13 ：惑星内部の構造
6/20 ：惑星の進化 6/27 ：休講
7/4 ：休講
7/11 ：系外惑星 7/18 ：生命の起源
講義予定
天体の運動
ケプラーの法則
1619年にヨハネス・ケプラーによって発見
1. 惑星は、太陽をひとつの焦点とする 楕円軌道上を動く
2. 惑星と太陽とを結ぶ線分が単位時間に描く 面積は、一定である (面積速度一定)
3. 惑星の公転周期の2乗は、
軌道の長半径の3乗に比例する
加えて、
太陽系の主要な天体は同一平面上を運動
➭ 太陽系の形成過程にその起源がある
4
惑星形成の場：原始惑星系円盤
16 第1章 太陽系の構造
図1-5．分子ガス雲の代表例の１つ馬頭星雲。ヨーロッパ南天文台(ESO) VLTによ る撮像 Press Photo http://www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2002/phot-02-02.html このガス雲 の中では星が次々と形成されている。
分子ガス雲(馬頭星雲)
ESO-VLTプレスリリース記事より
惑星形成の場：原始惑星系円盤
アルマ望遠鏡によるHL tauのミリ波観測 (アルマ望遠鏡プレスリリース記事より)
分子雲の中の密度の高い領域(分子雲コア)から 原始星と原始惑星系円盤が誕生
その中で惑星系が形成される
6
太陽系の構造
・太陽 (Sun)
・太陽系小天体 (Small Solar System Bodies) …小惑星, 彗星, 塵
・惑星 (Planet)
a) 太陽の周りを公転し、b) 自己重力によって球形となり、
c) 軌道上から他の天体を一掃している 天体 - 岩石惑星…水星, 金星, 地球, 火星
- 巨大ガス惑星(木星型惑星)…木星, 土星
- 巨大氷惑星(海王星型惑星)…天王星, 海王星
・準惑星 (Dwarf Planet)
…冥王星(2006年国際天文学連合決議), ケレス, 他
7
惑星の多様性
8 第 1 章 太陽系の構造と太陽系形成
表 1-1. 惑星の諸物理量
公転半径 質量 (地球質量=1) 分類 備考
水星 (Mercury) 0.38 AU 0.055 岩石惑星 大気なし、磁場あり
金星 (Venus) 0.72 AU 0.82 岩石惑星 CO2 大気、磁場なし
地球 (Earth) 1.00 AU 1 岩石惑星 N2・O2 大気、磁場あり
火星 (Mars) 1.52 AU 0.11 岩石惑星 CO2 大気、磁場なし
木星 (Jupiter) 5.20 AU 317.83 巨大ガス惑星 磁場あり
土星 (Saturn) 9.54 AU 95.16 巨大ガス惑星 磁場あり
天王星 (Uranus) 19.22 AU 14.54 巨大氷惑星 H2・He 大気、磁場あり
海王星 (Neptune) 30.06 AU 17.15 巨大氷惑星 H2・He 大気、磁場あり
図 1-1．太 陽 系 の 構 造 。日 本 学 術 会 議 に よ る 対 外 報 告（ 第 一 報 告 ）よ り、
http://www.scj.go.jp/ja/info/kohyo/pdf/kohyo-20-t35-1.pdf
8
太陽系の起源、惑星の多様性の起源は？
太陽活動
http://sohowww.nascom.nasa.gov/bestofsoho/Movies/flares.html
太陽活動
太陽活動
太陽の大気構造
12
太陽
太陽風
地球磁場 磁気圏
(~10 地球半径)
※ 1地球半径 = 6.4 10
3km
地球磁気圏
12
地球磁場が太陽風と地球を隔てている
金星大気と太陽風
(模式図) ©ESA地球の磁気圏
(模式図)固有磁場のある惑星(括弧付きはなし)：
水星, (金星), 地球, (火星), 木星, 土星, 天王星, 海王星 磁場のない惑星は大気が直接太陽風に晒されている
➭
その影響は？惑星の多様性：磁場
13
気象衛星ひまわり8号全球スキャン
http://www.cr.chiba-u.jp/japanese/database.html
14
理科年表オフィシャルサイト
https://www.rikanenpyo.jp/kaisetsu/kisyo/kisyo̲006.html
惑星大気の構造
高度 ~10 km
積乱雲
高度 ~100 km
オーロラ
高度 ~400 km
国際宇宙ステーション
惑星内部の構造
Search CNN.co.jp
火星の流水地形
東京大学出版会『惑星地質学』より
アウトフロー・チャネル バレー・ネットワーク
18
Credit: Stocktrek Images, Inc. / Alamy
地球の環境変動：全球凍結
19
惑星表層環境変動の要因は何か？
生命の起源と惑星の科学
地球生命誕生の場：初期太陽系環境・原始地球環境を知る
いつどのように原始地球に生命の材料物質が供給されたか？
どのような原始地球環境下で生命が誕生したか？
異なる条件下での化学進化“実験”：他の惑星・衛星を知る
地球では失われた情報へのアクセス：原始地球と類似した環境 で何が起こっているか？
地球と異なる惑星・衛星環境で生命は誕生しうるか？
20
21
地球の海水質量 = 地球質量の0.023 % 地球は少量の水に覆われた岩石惑星
Credit: Howard Periman, USGS
22
生命誕生の場：原始海洋
原始大気 and/or 分子雲中で生成した有機物から生命が誕生した場はどこか 生化学反応の溶媒として水が不可欠
生体中の元素組成が海洋に酷似
“生命のスープ”：温かく有機物に富んだ海水中で生命が誕生したという仮説
ヒトと様々な環境の元素組成の比較 (化学同人『アストロバイオロジー』)
生命はどこで誕生したか
・干潟のような場所で有機物が濃集し誕生？
・熱水噴出孔？ → 高温, 還元的ガス組成が生命誕生に適している
木星の衛星エウロパ内部の想像図 地球深海の熱水噴出孔
初期地球環境・生命誕生の可能性のある地球以外の天体の理解 (=地球惑星圏物理学) が生命の起源解明の鍵でもある
23
24
土星の衛星タイタン
N
2を主成分とし、数%のCH
4を含む弱還元的大気 → 原始地球大気と類似 液体メタン・エタンの湖、アンモニア水の内部海で生命は誕生するか？
Image credit: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona / University of Idaho
太陽系外惑星
直接撮像された系外惑星 GJ 758b (Image Credit: MPIA)
補償光学の発展により、
2010年頃から系外惑星 の直接撮像が可能に
現状、数10AUの軌道に ある誕生直後の明るい巨 大ガス惑星を検出可能 次世代の望遠鏡では より地球に類似した
系外惑星を撮像できる？
地球のような惑星は 普遍的か？
25
4/11 ：地球惑星圏物理学概論 4/18 ：天体の運動
4/25 ：太陽系の構造, 化学組成 5/2 ：惑星系の形成
5/9 ：太陽の構造, 太陽活動 5/16 ：惑星間空間
5/23 ：惑星磁気圏
5/30 ：惑星大気の構造(1)
今日のまとめ
6/6 ：惑星大気の構造(2) 6/13 ：惑星内部の構造
6/20 ：惑星の進化 6/27 ：休講
7/4 ：休講
7/11 ：系外惑星 7/18 ：生命の起源
講義予定
26
この講義では,
太陽系の構造と特徴, 惑星系の形成過程, 太陽活動, 惑星の大気・内部構造, 表層環境の進化, そして生命の起源について
わかっていること・未解明なことの両面を物理学的な視点で解説していく
