三次元球殻熱対流物理の理解および地球内部ダイナミクスの解明

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本研究の目的は、高レイリー数を持つ三次元球殻熱対流の数値実験を実行することにより、地球内部ダイナミクスを解明することである。昨年度は、三次元球殻熱対流数値実験用のプログラムを改良し、地球シミュレータでの最適化を行った。その結果、世界最高の下部加熱レイリー数を持つ三次元球殻での熱対流数値実験に成功した。さらに、臨界レイリー数から10の8乗レイリー数までの系統的な数値シミュレーションを行い、ヌッセルト数はレイリー数の1/3乗に比例し、対流構造はレイリー数の増加に伴い均質から不均質へ変化し、そしてその特徴的構造は熱境界層のスケールを持つことがわかった。本年度は、昨年度示した、三次元球殻熱対流の特徴的構造が熱境界層スケールを持ち、この構造はレイリー数10の8乗以下では崩されないことから、熱境界層付近の不均質が高レイリー数を持つ熱対流に与える影響を調査した。その理由として、レイリー数が10の8乗以下では、地震波が示す地球マントル対流が持つ大規模構造が発生しなかったこと、そして近年、マントルの最下層の熱境界層付近にポストペロブスカイトと呼ばれる新しい相が発見されたことがあげられる。すなわち、この新しく発見されたポストペロブスカイト層を考慮した三次元球殻熱対流の数値実験を行った。その結果、ポストペロブスカイト層が、マントル対流の熱境界層内部に存在する場合、マントルの熱的構造が変化する可能性を示唆した。しかし高圧実験から示されるポストペロブスカイトとペロブスカイトの相境界の温度圧力勾配では、単純な相変化効果のみではマントルの構造は大きく変化しないことがわかった。よって、地震波が示すマントル対流の大規模構造を作りだすためには、本ポストペロブスカイト層が単純な相境界のみならず物質境界であること、かっマントル上部の熱境界層に存在する大陸などの不均質を同時に考慮する必要があることなどが示唆される。