タイタン探査の魅力 関根康人（東京大学 ・ 新領域） 杉田精司 ・ 石丸亮 ・ 今中宏 ・ 松井孝典

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1 タイタン探査の魅力 関根康人（東京大学 ・ 新領域） 杉田精司 ・ 石丸亮 ・ 今中宏 ・ 松井孝典
S. Lebonnois, B.N. Khare, C.P. McKay 1月28日　国際共同木星総合探査計画LAPLACE・WG会合

2 タイタンとは？ 土星系最大の衛星（半径=2600km）⇔ 火星:3400km 窒素とメタン(数％)の大気（地表1.5 bar）
オレンジ色の有機物エアロゾル ⇒ 地表の様子不明 Cassini/Huygens探査 (2004–) Cassini Orbiter: レーダー, VIMSによる地表マッピング Huygens probe: 地表面着陸 　　　⇒ 明らかになってきた地表状態

3 タイタンの地表：赤外マッピング(VIMS)
③液体の湖の発見 n i g h t ⑤低温火山？ ④氷の砂丘 ①河川地形 Huygens 着陸地点 X a n a d o ②南極・巨大雲の発生 (Barnes et al. in press) ･水氷の高地(大陸)　･全球的な海はない　･若い地表 (Lorenz et al. in press) (Porco et al. 2005) (Lorenz et al. 2007)

4 ① 河川地形：Huygens着陸機 ・かつて(＜100万年)液体が大規模に流れた？ ・高地の侵食と低地への堆積 ・メタンの湿地
● 着陸地点付近（上空 10km, 6.5km） ● 着陸地点 河川地形 15cm 雲 昔の海岸線？ 2.5 km 丸石 (Tomasko et al. 2005) ・かつて(＜100万年)液体が大規模に流れた？ ・高地の侵食と低地への堆積 ・メタンの湿地 (Niemann et al. 2005)

5 ② 南極(夏極)の巨大雲(メタン) ・夏極で大規模な雲（活発なメタンの蒸発） ・中緯度に集中した流水地形 ⇔ 大気大循環モデル
・地上望遠鏡による赤外観測 ・Cassini探査機のレーダー観測 メタンの雲 (Brown et al. 2002) 大規模な流水地形 (Porco et al. 2005) ・夏極で大規模な雲（活発なメタンの蒸発） ・中緯度に集中した流水地形 ⇔ 大気大循環モデル (Rannou et al. 2006)

6 ③ 北極域(冬極)のメタンの湖 400 km

7 ⇔ ④ 赤道域の氷の砂丘 ・赤道域の暗い領域の多くは 砂丘・乾燥地域 ・風向も推定 tidal wind zonal wind
zonal wind ナミブ砂漠（地球） 90 S ⇔ 100 km ・赤道域の暗い領域の多くは 　砂丘・乾燥地域 ・風向も推定 (Lorenz et al. 2006)

8 ⑤ 低温火山（？） カルデラの ような地形 大気・地表の メタンを供給？ 筋状にのびる雲 (Sotin et al. 2005;
Lopes et al. 2007; Lunine et al. in press) 大気・地表の メタンを供給？ 筋状にのびる雲

9 地表環境のまとめ タイタンは、人類がようやく見つけた “生きている（物質循環のある）”天体である
地表環境のまとめ タイタンは、人類がようやく見つけた “生きている（物質循環のある）”天体である 火成活動？ 　メタンの凝縮（湖） 大気循環 メタン循環 乾燥地域+湿地 （堆積物・砂丘） 水氷の大陸 (風化・浸食） メタンの蒸発

10 タイタンに関する重要な問題 地表環境の安定性・進化 大気の起源・進化 有機分子はどこまで複雑化しているのか？
　・タイタンは４５億年間、今の姿だったのか？ 大気の起源・進化 　・窒素大気の起源　　・メタンの源は？ 　・液体メタンの総量はどれくらいか？ 有機分子はどこまで複雑化しているのか？ 　・エアロゾルの組成、構造は？　　

11 地表環境の安定性 （正のフィードバック） 地表温度決定 太陽光 ・メタンの温室効果 ・エアロゾルの反温室効果 90％をカット 全球凍結状態？
　　（正のフィードバック） 地表温度決定 メタン枯渇 低温火山(メタン供給) 太陽光度上昇 太陽光度上昇 全球凍結状態？ 　温度 ~ 60K 湿潤な現在の 　タイタン 暴走温室状態？ (McKay et al. 1999) (Lorenz et al. 1997)

12 土星磁気圏の重要性 土星磁場（太陽風）変動によって、 タイタン地表環境は大きく影響を受ける ・長期進化（10億年スケール）
・大気へのエネルギー源の比較 ・土星磁気圏とタイタン タイタン                                                                                                                                  土星磁気圏の 荷電粒子 土星磁場（太陽風）変動によって、 タイタン地表環境は大きく影響を受ける ・長期進化（10億年スケール） ・中期変動（100年スケール） (Sagan & Thompson 1984)

13 H C4H2 H2 C4H10 地表環境の安定性：エアロゾルの役割 がない 水素原子(H)の行方 CH4 エアロゾル表面反応 エアロゾル
(Sekine et al. 2008a, b) 水素原子(H)の行方 C4H2 気相3体反応 H H2 エアロゾル 紫外線、荷電粒子 CH4 C4H10 エアロゾル表面反応 (Yung et al. 1984; Bakes et al. 2003) ⇒ 実験データ 　　がない

14 1-D光化学モデル 実験装置 H2(HD)生成率 ガス分析 赤外分光分析 ・カッシーニの観測(C4H2)と調和的
模擬タイタン エアロゾル (CxHyNz) 低温ポンプ （ K) ガス分析 Diffusion pump D2 gas D atom irradiation 赤外分光分析 Cold plasma (D2 → 2D) H2(HD)生成率 ・カッシーニの観測(C4H2)と調和的 ・エアロゾルの材料分子が増加 (Sekine et al. 2008a, b)

15 エアロゾル生成がメタンの 正のフィードバックのブレーキ？
メタン濃度増加、地表温度増加 エアロゾル密度上昇 水素原子の除去、不飽和分子増加 さらにエアロゾル密度上昇 地表温度低下、メタン濃度低下 (Sekine et al. 2008a, b)

16 堆積物の量/有機物生成率 ⇒ 形成時間（～大気の存在時間）
砂丘が語る？大気の歴史 90 N インターデューン 　　基盤岩 アメリカ デスバレー H2O-rich crust CH4-C2H6 地下湖？ 有機物氷＋エアロゾル 堆積物 レーダーサウンダー ⇒ 堆積物層の厚さ(量) 90 S 100 km 堆積物の量/有機物生成率 ⇒ 形成時間（～大気の存在時間） ・砂丘の粒子：有機物多、水氷少 ・基盤岩：高地に近い組成 (Barnes et al., in press)

17 ポスト・ホイヘンス：着陸機のねらい 砂丘に堆積した“砂”を採取 ⇒有機物氷、エアロゾル組成・構造は？ 大陸地殻の組成は？
　⇒有機物氷、エアロゾル組成・構造は？ 大陸地殻の組成は？ 　⇒初期分化、材料物質 湖の組成は？ 低温火山の活動は？メタンフラックス 2012 – Back to Titan

18 まとめ：タイタン探査の魅力 タイタンは生きている（物質・大気循環や 気候のある）天体である その地表環境の形成・進化・安定性を知る
　気候のある）天体である その地表環境の形成・進化・安定性を知る 　ことは面白い、またそれらは惑星気象学 　(陸惑星、ハビタビリティー)、 　惑星システム進化学の理解にもつながる