散逸は、惑星の初期進化を考える上で非常に重要な問題である。本研究では、散逸規模が非常に大きく、惑星大気の進化、特に初期進化において重要な役割を果たしたと考えられる流体力学的散逸を扱う。escape)とは、静水圧平衡が破れた場合に起こる惑星大気の散逸過程である。散逸するため、俗に「大気の流出」とも表現される。期大気問題、希ガス同位体分別問題、あるいは金星の水散逸問題などを解く上で重要な散逸過程である。球・金星・火星の表層環境の違いが作られたことも示唆されている[3]。大気散逸も重要な研究テーマになってきている。流体力学的散逸の理論解を求めることは容易ではない。取るため、音速を超える速度の解を正確に求めることができなかった。題への適用は難しいのが現状であった。されておらず、非常に限定的な問題しか扱えていないのが現状であった。そこで本研究では、汎用的な計算コードを得ることを目的に、複数成分の大気の流体力学的散逸を解くための計算コードを開発した。その計算コードを金星大気の2つの問題に適用し、初期金星大気に関する新しい知見を得た。複数種の大気成分間の相互作用を考慮した、多相流体1次元時間発展オイラー方程式[6]を解いた。い、軽分子が重分子を加速(重分子が軽分子を減速)するシステムになっている。体力学的に散逸する際に他の重い分子を加速することで、他の分子を一緒に散逸させるというものである。大気散逸のエネルギー源としては、太陽EUV(極端紫外線)による上層大気の加熱を考えている。考慮して太陽系の年代に応じた太陽EUVの値を与えている(図1)[7]。ちなみに、現在の太陽では紫外線が弱く、惑星大気の流体力学的散逸はほとんど観測されていない。太陽(図1)のもとでは、金星や地球の初期大気において大規模な大気の流体力学的散逸が起きていた可能性が考えられる。各波長ごとの、惑星が太陽から受け取るエネルギーフラックスの時間変化。全て現在の値で規格化してある。数値計算にはセミ・ラグランジュ法を用い、移流項はCIP法[8]により、非移流項は差分法により解いた。けではなく傾き(微分値)も移流させて数値拡散を小さくする計算法で、大きな密度変化を持つ系の流体方程式を滑らかに解くために開発された。CIP法を用いることで、亜音速〜遷音速〜超音速まで安定に解を求めることに成功した。ことも確認され、これにより、初めて複数成分の大気の流体力学的散逸を数値的に計算することが可能となった。大気散逸に関する問題を独占的に解くことが可能である。本章では、開発した数値計算コードを用いて多成分大気の流体力学的散逸を計算することで、2つの金星大気問題の解決を図る。現在金星上に海は存在しない。過去の研究から、金星の表層には過去に海が存在したことが示唆されている。素の存在比)が地球の100倍ほどあることが観測からわかっており[9]、以前は最低でも現在の100倍の水蒸気が存在していたことがわかる。O)し、軽い水素は流体力学的散逸によって宇宙空間に散逸したと考えられている[10]。ここで問題となるのは、流体力学的散逸で直接散逸できない酸素の行方である。億間にわたって続ける必要がある[11]。大気中で酸素を消費するには、COなどの還元的気体が大量に必要となる。生する大量の酸素を全て消費するには、量的に難しいかもしれない。そこで本研究では、水素の流体力学的散逸に伴う酸素の散逸を考えた。軽い水素が散逸する際により重い酸素を引きずって一緒に散逸する可能性を検討した。よる水蒸気大気の散逸を計算した。境界条件として、均一圏界面を高度100kmと仮定し、温度を330Kで固定した。圏界面の高度を変えて計算しても、以下で得られた結果は定性的には変わらない。O2は十分に短い時間でOに光解離することがわかっており、酸素が散逸する際の最終状態として単原子Oを選ぶのは妥当である[10]。図2に、均一圏界面での水素の数密度と太陽系の年代(すなわち太陽EUVの値;図1)を変化させた場合の、水素の散逸フラックスの変化を示す。一圏界面での水素の数密度が大きいほど、また太陽系の年代が若いほど、水素の散逸フラックスが大きいことがわかる。い、水素の散逸フラックスが桁で変化していることもわかる。固定して、均一圏界面での水素の数密度をパラメータに計算を行った場合について議論する。パラメータの変化に伴う水素の散逸フラックスの変化。酸素が散逸可能な水素の散逸フラックスの下限値[12]も図中に示してある。1となっている状況を考える。図3に、均一圏界面での水素の数密度を変化させた場合の、水素と酸素の散逸フラックスの変化を示す。3.0×10^14[m-3]を下回ると、水素の散逸フラックスが十分に大きくならず、酸素を引きずって散逸させることは不可能となる。陽系の年代を変化させても定性的には同様である。1の場合の水素、および酸素の散逸フラックス。太陽系の年代は1Gy。プロットされていない領域では、水素は散逸するが酸素は散逸しない。図3において、酸素が散逸できないパラメータ範囲では水素のみが散逸するため、相対的に酸素の割合は上昇する。酸素の数密度の比を変えた場合を考える。2の状況で、それぞれの場合の酸素の散逸フラックスを計算した結果を図4に示す。散逸できるパラメータ範囲も小さくなっていることがわかる。2の場合の酸素の散逸フラックス。太陽系の年代は1Gy。水素の散逸フラックスは示していない。プロットされていない領域では、水素は散逸するが酸素は散逸しない。大気中の酸素の割合が増えると酸素の散逸フラックスは減少し(図4)、さらに酸素の割合は増加することになる。溜まっていき、流体力学的散逸によって金星の酸素を全て散逸させることは非常に難しいことが結論される。均一圏界面での水素の数密度が1.0×10^16[m-3]程度)では、水素と酸素は同量の散逸フラックスを持って散逸することができる。いてこの数密度を長期間保持することができれば、流体力学的散逸によって金星の酸素を散逸させることは可能かもしれない。酸素を散逸させる方法として、イオン化した酸素の非熱的な散逸も考えられる。期間にわたって平均的な太陽型星よりも大きければ、地球海洋と等量程度の酸素を散逸できる可能性がある[13]。要素が多く、定量的な議論のためにはさらなる研究の進展を待つ必要があろう。H2O)が起きる可能性がある。なるともはやH2Oそのものを散逸させることが不可能となる。消失を考える上で重要な研究課題である。H2比が1未満の場合について述べておく。H2比が1より小さい可能性がある。すれば酸素の全散逸が可能となることが期待される。今後は、酸素を全散逸させるのに必要な条件を求めることで、逆に金星の大気や海の進化に制約を加えることも行いたい。金星大気において、Neが太陽組成比より小さくArの存在度が異常に大きいことがわかっている(図5)[14]。照らし合わせると、金星大気からはNeのみが選択的に質量分別を受けたように見える。ら希ガスを捕獲した後に散逸によって軽いNeのみを失ったというモデルが提案されている[2]。太陽組成(太陽組成ガス中の存在度)で規格化した金星大気、隕石に含まれる希ガスの存在度。そこでまず、水素の流体力学的散逸によって各希ガスを散逸させるために必要な水素の散逸フラックスを見積もった(図6)。同程度の水素の散逸フラックスで、ともに散逸を開始することがわかる。水素の流体力学的散逸によって各分子を散逸させるために必要な水素の散逸フラックス。可能性が示唆されている[6]。ラックスはそれよりほんのわずかに大きい。散逸フラックスが下がる。よって得られるのではないかと考えるわけである。そこで本研究では、希ガスにCOを加えた多成分大気の流体力学的散逸を、CO冷却の効果[15]も考慮に入れて計算し、Ne/Ar分別の可能性について検討した。太陽系の年代、各大気成分の均一圏界面での数密度を様々に変化させた場合の、NeとArの散逸フラックスの比を計算した結果を表1に示す。どの場合でNe/Ar分別は実現できていないが、いくつかの特徴的なケースにおいてはNe/Ar分別が実現できる可能性がある。Ne、Arともに散逸しない。算した結果を図7に示す。COが水素と同程度の数密度で存在していれば、CO冷却によりNe/Ar分別が最大で1桁分ほど可能であることが分かる。均一圏界面でのCOの数密度を変化させたときの、NeとArの散逸フラックスの変化。太陽系の年代を0.1Gy、均一圏界面での水素の数密度を1.0×10^15[m-3]に固定した場合。金星大気中のNeとArの存在度を説明することは難しいように思われる[14]。いくため、時間とともに大気中のCOの存在度は減少していき、Ne/Ar分別はさらに難しくなることが予想される。ところでNe/Ar分別の程度を大きくする可能性としては、H2Oによる上層大気の冷却も考えられる。