基礎地学II 比較惑星学 ー太陽系の構造と進化ー

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1 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

2 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。）

3 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］

4 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］

5 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

6 太陽 ［全て、地学図表より］ ~0.533°

7 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。。。）

8 太陽活動の11年周期と現状

9 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” （冥王星は当時発見されておらず）

10 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： 　　　　　　　　/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

11 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］

12 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　 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）

13 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］

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15 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　 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

16 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 号（日本版）］

17 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。 （上）Hubble Space Telescope, 1995、（下）Voyager 1, 1979

18 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 　　　　（ 、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）。 （左）Voyager 2, 1981 （false color）、（右）Cassini, 2004

19 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。）

20 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］

21 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.]

22 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

23 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

24 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］

25 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