地球内部流体運動基礎過程の研究〜ベナ-ル対流vs凝結性対流

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本研究は,マントル・中心核の対流への凝結性成分の存在が与える効果の基本的な性質を明らかにするために,その力学的構造をベナ-ル対流および熱フラックスを固定した対流理論の延長上で多成分多相系の対流を議論し,理解することを目指した.竹広と林は,凝結性成分を含んだ対流を考察する際の比較対象となる標準実験と理論的考察を行なった.マントルの熱的な性質を考慮するために,温度固定熱境界条件を熱フラックス固定境界条件に変えた場合の回転系の対流の振舞を理論的に考察した。その結果,対流の水平スケールに与える回転の効果が回転軸の向きによって異なることがわかった.回転軸が鉛直方向を向いている系では水平方向に横長の対流セルの出現が抑制されるが,回転軸が水平方向を向いている境界面の傾いた系では水平方向に横長の対流セルが出現する.既存のブシネスク対流モデルに回転の効果を組み込み,数値計算を行なった結果,理論的な考察から予想されるものと整合的な結果が得られた.一方,中島は地球流体核内の状況を想定して,大気の積雲対流モデルの相変化過程のパラメターを大きく変化させて下降流域で凝結過程が生じるようにモデルを改造し,凝結性成分(鉄)の落下速度を変化させて数値実験を行なった.数値計算の結果,凝結性成分(鉄)の落下速度が遅い場合では非定常な横長の対流セルが出現するのに対して,凝結性成分の落下速度が速い場合には定常でそれほど横長でない対流セルとなることがわかった.凝結性成分の落下速度の変化は,非凝縮性対流での熱的条件に対応させると凝結性成分の落下速度が遅い場合は内部熱源を伴わない対流問題,凝結性成分の落下速度が速い場合は内部熱源を伴う対流問題に相当する.このような熱的条件の差異によって,対流の水平スケールの変化を理解することが今後の課題である.