基礎地学II 比較惑星学 ー太陽系の構造と進化ー 北海道大学・環境科学院 藤原正智 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/

比較惑星学 ー 太陽系の構造と進化 ー 太陽系の構造 太陽系の形成 太陽 惑星の素顔 月の話 参考文献 ・「太陽系と惑星」小森長生著（新版地学教育講座12）、東海大学出版会 （「地学図表」も参照した。）

太陽系の構造 ・公転方向全て同じ。太陽自転方向に一致 ・軌道面はほぼ同一平面上 ・円に近い楕円軌道 ・木星が最大（“太陽になれなかった星”）の惑星 ・火星より内側：地球型惑星 ・木星より外側：木星型惑星 ・火星・木星間に小惑星帯 ・カイパーベルト（彗星帯） 　（40～100AU付近） ・オールト雲（彗星の巣） 　の仮説 　（1万～10万AU付近） AU:天文単位（地球と太陽との平均 　　　的な距離である約1.5億km） ［全て、地学図表より］

太陽系の構造 太陽系の位置 太陽系の端 オールト雲仮説（～太陽の 重力圏）とは別に 太陽風・恒星風の境界 終端衝撃波面：67AU ［地学図表］ 太陽系の位置 太陽系の端 オールト雲仮説（～太陽の 重力圏）とは別に 太陽風・恒星風の境界 終端衝撃波面：67AU 太陽圏界面：116～177AU パイオニア10号（1973木星） パイオニア11号（1974土星） ボイジャー1号（1980土星） ボイジャー2号（1989海王星） ［小森］

太陽系の形成 現代の太陽系起源論： 恒星（太陽）の形成・進化の過程 で惑星は普遍的に生じる 太陽系は宇宙に無数に存在 星間分子雲 ［全て、地学図表より］ 現代の太陽系起源論： 　恒星（太陽）の形成・進化の過程 　で惑星は普遍的に生じる 　太陽系は宇宙に無数に存在 星間分子雲 　星間物質（主に水素原子）の 　密度増加紫外線・宇宙線遮蔽 　により低温化重力収縮 　水素分子等多くの分子が形成 原始星（太陽）の誕生と進化 　分子雲の重力収縮 　密度差や回転の影響により 　多数の雲に分裂、星の集団が誕生 原始太陽系の誕生と進化 各惑星は～1億年で現在程度

太陽 ［全て、地学図表より］ ~0.533°

太陽 ー 黒点 黒点： 古代ギリシャ/中国の時代 より知られていた （大きな黒点は夕日のシミ として肉眼でも見える） ［全て、地学図表より］ 黒点： 古代ギリシャ/中国の時代 より知られていた （大きな黒点は夕日のシミ 　として肉眼でも見える） ・17世紀初期：ガリレオ ・19世紀前半 シュワーべ、20年の観測 11年周期の発見 　　（実際には7～16年） ・1894年（1976年） マウンダー極小期の発見 （より長周期の変動。 cf. ガリレオは～1642） ・樹木年輪（炭素同位体） 88年、2000年、2300年 の周期性あり 黒点とは：　周囲より低温で暗い、 　　磁場が太陽表面を破って現れている 　　黒点は太陽活動度（磁場強度）の指標 　　　　（太陽磁場の反転：22年周期） 黒点と地球： 　　オーロラ頻度と黒点数に正相関 　　100年スケールの気候変動と対応 参考：「縞々学－リズムから地球史に迫る」 　　　　川上紳一著（東京大学出版会） （2001年ごろ極大だった。現在（2009年）次の極大期にむかうはずだが。。。）

太陽活動の11年周期と現状 http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml

惑星の素顔 地球（Earth） 地球型惑星 水星（Mercury） －翼のある使者－ 金星（Venus） －平和をもたらす者－ 　　火星（Mars）　　　　　－戦いをもたらす者－ 木星型惑星 　　木星（Jupiter）　　　　－喜びをもたらす者－ 　　土星（Saturn）　　　　－老いをもたらす者－ 　　天王星（Uranus）　　－魔術を使う者－ 海王星（Neptune）　－神秘なる者－ 冥王星（Pluto）　－1930年発見、2006年「惑星」から外れる－　 Gustav Holst （英） “The Planets” 1914-1916（冥王星は当時発見されておらず）

地球 ・巨大な衛星、月、の存在（地球の0.27倍） ・磁場の存在：液体金属の存在、磁気圏の形成（大気散逸の阻止） ・可視域で青（大気の存在）と白（H2Oの雲の存在）－太陽光の散乱 ・気温の高度分布：中層に気温極大層オゾン（O3）の存在酸素の存在 ・大気組成：主成分はN2とO2、主要な温室効果気体としてH2O、CO2、O3 ・地形：いくつかの大陸といくつかの海洋プレートテクトニクス（マントル対流） ・海の存在大気中のH2Oが凝結（1気圧で100℃以下）、CO2が溶け地殻中へ送られる ・生命の存在/人類の存在 　　酸素の存在 　　可視光や電波の放射 　　人工衛星 　　他には？？ 右上：http://antwrp.gsfc.nasa.gov 　　　　　　　　/apod/archivepix.html 右下：小倉、一般気象学（東京大学出版会） 左・中央：地学図表

水星 ・大きさ： 地球の0.4倍（月は0.27倍） ・軌道の離心率、黄道面に対する傾斜角、いずれも冥王星に次いで大きい ・大きさ：　地球の0.4倍（月は0.27倍） ・軌道の離心率、黄道面に対する傾斜角、いずれも冥王星に次いで大きい ・公転周期88日、自転周期58.65日（=88x2/3…“尽数関係”） ・弱い磁場を持つ（地球の1%） ・大気がなく、地表温は昼に430℃、夜に－170℃　（地球の場合、大気からの熱放射が二倍＋熱輸送） ・水星の探査：　1973～1975　米国　マリナー10号 　　　（3回の水星接近により半球程度分の地形写真撮影）情報がまだまだ少ない ［地学図表より］

金星 公転： ほぼ円軌道、周期224.7日。太陽からの距離0.72天文単位。 自転： 周期243.02日で公転と逆向き。自転軸の傾き2度 公転：　ほぼ円軌道、周期224.7日。太陽からの距離0.72天文単位。 自転：　周期243.02日で公転と逆向き。自転軸の傾き2度 金星の1日（1昼夜）は116.8日 （金星と地球の会合周期は584日（金星の5日分）内合時いつも同じ面） 半径は地球の0.949倍。（地球の兄弟星） マントルと核の比率は地球と同程度であろう。 固体核が形成されているかは不明。 磁場の強さは地球の10万分の1（自転周期からみて当然か） プレートテクトニクスは存在しない（火山分布一様） 分厚い大気を持つ。主成分はCO2（96.5%）、 　　　　　　　　他にN2（3.5%）、H2O（0.1%） 地表気圧90気圧（地球では海底900mの水圧に対応） 地表気温420～485℃（CO2による温室効果） 硫酸（H2SO4）を主とする分厚い雲に覆われている （金星対流圏上部高度50km付近、厚さ10km） 硫酸の雨は高度30kmあたりで蒸発してしまう ・微惑星衝突時代、H2O、CO2、N2等外部から供給される。 　　SO2は火山起源か。金星と地球で違いはほとんどなかったはず。 ・地球と金星の違いは、太陽からの距離のわずかな違い海ができるかできないか　＋自転速度 　地球の場合、海が出来たため、CO2は海中に溶けたのち石灰岩化。 　金星の場合、海が出来ず（あるいは一時期存在したがのちに全て蒸発（暴走温室効果））、また、 　磁場が弱いため、H2Oは大気上空で光解離し、Hは大気圏外へ逃散、Oは地表や大気を酸化、消滅。 写真は全て　http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/venus.html　より 紫外線画像 （雲層上部） パイオニア・ビーナス 1978打ち上げ（米） 近赤外線画像 （雲層下部） ガリレオ（木星探査機） 1989打ち上げ（米） 金星“フライバイ”時 電波画像（地形） マゼラン 1989打ち上げ（米）

金星 日本の金星探査ミッション（JAXA） “Planet-C”：2010年打ち上げ予定 金星の気温・東西風の高度分布 スーパーローテーション （超回転/雲パターンの4日循環） 自転が遅いにも関わらず、 自転方向に100m/sにも 達する高速の風が吹いている。 （地面の60倍の速さ） 粘性・地表摩擦に抗するだけの 角運動量の供給源が不明 cf. 地球の赤道成層圏の 　　　準二年振動 ［図は、金星探査計画提案書（2001） 　およびそのパンフレットより］

http://www.stp.isas.jaxa.jp/venus/index.html　 http://www.youtube.com/watch?v=63Q3m45h-Gs　

火星 公転： 周期687日（約2年）。太陽からの距離1.38～1.67天文単位。 公転：　周期687日（約2年）。太陽からの距離1.38～1.67天文単位。 　　　　　（ケプラー、楕円軌道であること発見） 自転：　周期24時間37分。自転軸の傾き25度（地球に似る） 半径は地球の0.533倍。 マントルと核の比率は地球と同程度であろう。 液体核は薄く、大部分が固体となっていると思われる。 磁場の強さは地球の500～1000分の1（液体核の薄さか） 2つの衛星（フォボス、ダイモス）を持つ 表面地形の特徴：北半球に大平原、南半球にクレーター密集地帯 多くの火山が存在：オリンポス山（高さ25km、直径600km、火口70km） （cf. 地球最大の火山はハワイ島（海底からの高さ9km、直径200km）） 大峡谷、溝状谷地形（過去にプレートテクトニクス、大洪水（温暖な気候）） 極冠：両極に存在。下層が氷（H2O）、上層がドライアイス（CO2）。その季節 　　変化が地表気圧変動の主因　（なお、氷は永久凍土の形で全域に存在か） 希薄な大気を持つ。主成分はCO2（95.3%）、 　　　　　　　　他にN2（2.7%）など。H2O（0.03%） 地表気圧0.007～0.01気圧（地球では中部成層圏35kmに対応） 地表気温－120～0℃（赤道の昼～極の夜）―温室効果効かない 氷晶やドライアイスの雲 砂嵐（大黄雲）―時期によっては火星をほぼ覆いつくす 　　（塵による温室効果が風を強め、ますます塵を舞い上がらせる正のフィードバック） 写真は全て　http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/mars.html　より 西端：タルシス三山 中央：マリネリス峡谷 南部：ソリス平原 北部：アキダリア平原 オリンポス火山 （タルシス西方） 火星人？運河？生命？（バイキング1号、2号、火星隕石）、火星探査成功率の低さ、顔面岩、火星移住計画、マーズ・パスファインダー（ランダー、ローバー） 南極冠

火星 「火星には生命・知性が存在するのか」 19世紀末、スキャパレリ（伊）：火星表面に「カナリ」（溝、運河）発見 　　19世紀末、スキャパレリ（伊）：火星表面に「カナリ」（溝、運河）発見 　　1894年、ローウェル（米）：私設天文台。「乾燥化の進む火星で生き残りをかけて火星人が運河を築いた」仮説 　　火星研究、小説、映画の発展 　　1960年以降、ソ連、米国が多くの火星探査機を投入（なぜか失敗が多い。日本のPlanet-B（のぞみ）も失敗。） 　　1976年、ヴァイキング1号、2号（米）：着陸し、土壌サンプルの分析。微生物の存在は不明瞭。 　　1996/1999年、NASAの研究者、火星からの隕石の分析によりバクテリアの痕跡を発見、と発表 「火星移住計画（Mars Direct）」（ロバート・ズブリン、“テラフォーミング”） 「顔面岩」（1976ヴァイキング2001マーズ・グローバルサーベイヤー：分解能の悪さが原因か） 火星人？運河？生命？（バイキング1号、2号、火星隕石）、火星探査成功率の低さ、顔面岩、火星移住計画、マーズ・パスファインダー（ランダー、ローバー） Mars Pathfinder、Sojourner 1997年7月4日着陸 ・大気圏突入・降下・着陸システムの試験 ・岩石の化学組成 近い将来、サンプルリターン計画（岩石・土壌を 地球へ持ち帰り詳細に分析） ［National Geographic 1998.8号（日本版）］

木星 公転： 比較的円に近い、周期11.86年。 太陽からの距離5.0～5.5天文単位。 自転： 周期9時間55分。自転軸の傾き3度 公転：　比較的円に近い、周期11.86年。 　　　　　太陽からの距離5.0～5.5天文単位。 自転：　周期9時間55分。自転軸の傾き3度 半径は地球の11.2倍。 　（太陽系最大。質量が小さく太陽にはなれず） 主成分は水素。少量のヘリウム。内部は液体分子水素 　　＋液体金属水素＋岩石質の核（中心から2割の距離分） 磁場の強さは地球の4000倍。大規模な磁気圏を持つ。 大きな内部熱源を持つ。 　（重力エネルギー、岩石核中の放射性元素、など？） いわゆるガリレオ衛星（イオ、エウロパ、ガニメデ、カリスト）＋多数 環を持つ（1979年ヴォイジャー1号発見） 大気の主成分は、H2（89%）,He（11%）。 三層の雲。上からNH3、NH4SH、H2Oの雲。 乱流、渦の縞模様。 「大赤斑」：南緯22度に300年以上存在（1664カッシーニ発見）。 　縦横14,000、26,000km（地球2個分）。高気圧性回転。 　そのメカニズムとして孤立波（ソリトン）説有力。 http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/jupiter.html　より （上）Hubble Space Telescope, 1995、（下）Voyager 1, 1979

土星 公転： 比較的円に近い、周期29.46年。太陽からの距離約9～10天文単位。 自転： 周期10時間39分。自転軸の傾き26.7度 公転：　比較的円に近い、周期29.46年。太陽からの距離約9～10天文単位。 自転：　周期10時間39分。自転軸の傾き26.7度 半径は地球の9.5倍。 主成分は水素。少量のヘリウム。内部は液体分子水素＋液体金属水素＋氷・岩石質の核（中心から3割の距離分） 磁場の強さは地球の1000倍。磁気圏を持つ。 大きな内部熱源を持つ。（重力エネルギー、岩石核中の放射性元素、など？） 衛星：タイタン（N2大気（1.5気圧）、数%のCH4。CH4の雲、雨。CH4の湖か海？）　＋多数 　　　　（2005.1.14、カッシーニ（欧・米）から放出されたホイヘンスがタイタンに着陸、大気測定、地表の写真） 大きな環を持つ（ガリレオは当初“2つのこぶ”と見た） 大気の主成分は、H2（94%）,He（6%）。 三層の雲。上からNH3、NH4SH、H2Oの雲（木星と同様）。 http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/jupiter.html　より （左）Voyager 2, 1981 （false color）、（右）Cassini, 2004

土星 （NASA 2009年10月7日発表） “スピッツァー”赤外線宇宙望遠鏡にて、土星を囲む巨大な環 　　（従来のものよりはるかに大きい）を発見。衛星のひとつ“フェーベ”から供給された、氷やちり 　　の粒子だと考えられる。（太陽から遠く離れているので可視光望遠鏡でみるのは難しい。） http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2009-19/release.shtml

木星と土星のオーロラ 木星オーロラの 衛星による “footprint” 左端：イオ 中央：ガニメデ 下の二点： エウロパ 土星オーロラは 　　　　エウロパ 土星オーロラは 地球同様太陽風 によるもの。 ただし紫外域で しか見えない。 木星の場合は、衛星イオの火山噴火により放出された粒子がイオン化して木星 へ降り込んでいると考えられている。太陽風の寄与との大小関係はまだ不明。 ［ハッブル宇宙望遠鏡の紫外光画像による木星と土星のオーロラ］ http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/

天王星、海王星、冥王星 天王星と海王星： 木星型惑星とはいえ様相は異なる。赤道半径はいずれも地球の4倍弱。 天王星と海王星：　木星型惑星とはいえ様相は異なる。赤道半径はいずれも地球の4倍弱。 　　　　　　　　　　　　内部は、岩石の核と氷のマントルか。大気はH2主体で少量のヘリウムだが、 　　　　　　　　　　　　上層にメタン（青緑色の原因）の雲（より低温のため）があり、下層にはH2Sの雲か。 　　　　　　　　　　　　自転軸の傾き：天97.9度、海27.8度。帯状循環が存在（星、緯度により向きは様々） 冥王星：カロンという衛星を伴う。赤道半径は地球の0.2倍。表面は窒素とメタンの氷。 　　　　　　　　　　　　自転軸の傾き120度。 2006年、「惑星」が再定義され、冥王星は「矮(小)惑星」に。 海王星 公転周期165年 30天文単位 自転周期0.67日（逆） [Voyager 2, 1989] 天王星 公転周期84年 18～20天文単位 自転周期0.72日（逆） [Voyager 2, 1986] 海王星の南半球 大暗斑（地球1個分、 1994（HST）には消えた？）、 “スクーター”（上昇雲？）、 小暗斑 （緯度により風速異なるため これらが1枚の写真に入る のは珍しい。） [Voyager 2, 1989] 冥王星 公転周期248年 30～49天文単位 自転周期6.4日（逆） カロン 公転自転ともに6.4日 （常に互いに同じ面） [Hubble S. T.] http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/

冥王星と惑星の定義 2006年8月26日、国際天文学連合の総会にて、惑星の新しい定義が決まる ［ニュートン2006.11］ 2006年8月26日、国際天文学連合の総会にて、惑星の新しい定義が決まる ・ 惑星とは：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星の８つ ・ 他に、矮(小)惑星（惑星とは違い、「その軌道近くで他の天体を掃き散らしていない」）、 　 太陽系小天体（小惑星、トランス・ネプチュニアン天体（カイパーベルト天体）、彗星など） ・ 冥王星は、「トランス・ネプチュニアン天体の新しい種族の典型例」 1992年以降、次々とカイパーベルト天体発見される。　　 2003UB_313の発見  “第10惑星”の発見  惑星の数が際限なく増加する懸念  冥王星が惑星から外れる

月の話 月： 地球の唯一の衛星。地球の0.27倍の大きさ。地球から平均38万km（地球直径の30倍）。 　　　公転周期27.32日、自転周期も等しい（つまり月はいつも（ほぼ）同じ面を地球に向けている）。 　　　月の軌道面（白道）は地球の軌道面（黄道）に対して5度だけ傾いている 　　　（一般に多くの衛星の軌道は中心惑星の赤道面内）。自転軸は黄道面にほぼ垂直。 ［図は全て 小森 より］ 潮汐摩擦：　地球の自転は年々遅くなっている（1日が長くなる） 　　　　　　　　同時に、月は3cm/年で遠ざかり公転運動加速 　　　　　　　　（4億年前は1日が短く1年が400日だった。） 内部構造：　アポロ11号（1969）などにより設置された地震計 表面地形：　平坦な暗い地域（“海”、おもて側に多く、溶岩による 　　　　　　　　埋め立てにより形成された）、 　　　　　　　　クレーターの多い明るい地域（“陸”または“高地”） 　　　　　　　　火山説（内因説）より隕石衝突説（外因説）が有力

月の起源 分裂起源説（親子説） 地球形成初期の高温・高速自転時に遠心力により分裂（ジョージ・ダーウィンの説） 　　　地球形成初期の高温・高速自転時に遠心力により分裂（ジョージ・ダーウィンの説） 　　　地球形成初期の高温時に小天体が衝突、自転が加速されて表層部が分離 二重惑星説（兄弟説） 　　　ごく近い場所で同時に形成 捕獲説（他人説） 　　　遠い場所で形成した月が、後に地球に捕獲された 巨大衝突説（現在最も有力な説） ［地学図表］

まとめ ー 比較惑星学 ー 太陽系の構造、地球型惑星と木星型惑星、太陽系の端 太陽系の形成、恒星の一生との関係、各運動量 太陽、黒点 地球の特徴・特異性 水星 金星、金星の大気現象 火星、生命の存在？ 木星、土星、オーロラ 天王星、海王星、冥王星、　惑星の定義 月、月の起源諸説