高層大気の広がりから太陽系外地球型惑星の表層環境を探るための理論的研究

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系外惑星研究分野の急速な発展によって地球外生命が科学の対象になろうとしており、いわゆるハビタブル惑星に関する理論研究が盛んに行われている。ハビタ ブル惑星研究のボトルネックは観測的検証の困難さにある。その突破口として期待されるのが、次世代宇宙望遠鏡による紫外線トランジット観測である。地球を広く覆う中性酸素の層を低温星まわりの系外惑星が持つ場合、 その大気は大きく広がることが理論的に予想される。この大気を観測できれば、ハビタブル惑星理論の部分的検証につながる。本研究課題では、 高層大気構造モデルおよび大気散逸モデルを開発し、低温星まわりで予測される多様な地球型惑星に関して、中性酸素および中性水素の広がりを理論的に求める。 さらに、紫外線トランジット観測を想定した模擬観測スペクトルおよび光度曲線を作成し、 ハビタブル惑星の検出可能性および理論の検証可能性を定量化する。本年度は、光化学・大気放射(非局所熱平衡)・渦拡散等を考慮した鉛直1次元熱圏モデルを開発した。現在の地球と金星の熱圏を再現する高層大気モデルを、地球大気では実現しない高温環境で重要となってくる分子の光化学反応や放射冷却が適切に考慮し改良した。また、惑星形成モデルからは、水素等を多く含む還元的大気の存在も予測される。したがって、地球型の大気と異なり、還元的な成分を含む光化学反応ネットワークも導入した。一方、高層大気と低層大気の関係性を明らかにする必要がある。すでに、研究代表者らの炭素循環モデルでは、海水量と大気CO2量が関係づけ られている。しかし、想定する系外惑星は主星の近傍を周回し、自転と公転が同期している。 下層大気のように物質の水平方向循環が重要な場合、1次元モデルでは不十分である。そのため、研究協力者が地球型水惑星の射出限界の研究に用いた3次元大気大循環モデル(GCM)を利用し、3次元性の影響を評価した。