Chemical composition of the Earth's inner core from first-principles calculations and machine learning

地球の内核は、鉄・ニッケルに加えて軽元素(水素、炭素、窒素、酸素、ケイ素、硫黄)の合金であると考えられている。このような多成分系合金では、考えられる組成の組み合わせが膨大になる為、軽元素の種類と量がどのような組み合わせなのかは、いまだに解明されていない。本計画では、多成分系の第一原理計算に適したKKR-CPA法と機械学習の組み合わせを用いて地球の内核の研究を行う。今年度は、内核圧力における6成分系までの鉄合金の不純物電気抵抗率の計算を行った。得られた結果を機械学習を用いて解析したところ、合金組成によらず抵抗率の飽和現象に従う事が明らかになった。この電気抵抗率に対してヴィーデマンフランツの法則を用いて内核の熱伝導度を推定した。その結果は内核は熱対流できない程熱伝導度が高い事を示唆した。内核が熱対流している場合、内核内部の温度プロファイルは断熱温度勾配に従う。しかしながら、内核が熱対流できない場合は、その温度プロファイルは熱伝導によって決まる。本研究により得られた熱伝導度の範囲と、考えられ得る内核の年齢の範囲を用いて、内核の熱伝導プロファイルを計算したところ、内核の最上部と最深部での温度差が100℃程度しかないと推定された。これは、地球内核の内部にはほとんど温度勾配が存在しない事を意味する。並行して、六方最密充填構造を持つ5成分系までの鉄合金の状態方程式の計算を行った。得られた状態方程式から、内核の温度圧力条件における密度とバルク音速の推定を行った。これらの結果を地震波観測の文献値と比較することにより、内核の化学組成に対して制約を与えた。

地球の内核は、鉄・ニッケルに加えて軽元素(水素、炭素、窒素、酸素、ケイ素、硫黄)の合金であると考えられている。このような多成分系合金では、考えられる組成の組み合わせが膨大になる為、軽元素の種類と量がどのような組み合わせなのかは、いまだに解明されていない。本計画では、多成分系の第一原理計算に適したKKR-CPA法と機械学習の組み合わせを用いて地球の内核の研究を行う。今年度は、内核圧力における6成分系までの鉄合金の不純物電気抵抗率の計算を行った。得られた結果を機械学習を用いて解析したところ、合金組成によらず抵抗率の飽和現象に従う事が明らかになった。この電気抵抗率に対してヴィーデマンフランツの法則を用いて内核の熱伝導度を推定した。その結果は内核は熱対流できない程熱伝導度が高い事を示唆した。内核が熱対流している場合、内核内部の温度プロファイルは断熱温度勾配に従う。しかしながら、内核が熱対流できない場合は、その温度プロファイルは熱伝導によって決まる。本研究により得られた熱伝導度の範囲と、考えられ得る内核の年齢の範囲を用いて、内核の熱伝導プロファイルを計算したところ、内核の最上部と最深部での温度差が100℃程度しかないと推定された。これは、地球内核の内部にはほとんど温度勾配が存在しない事を意味する。並行して、六方最密充填構造を持つ5成分系までの鉄合金の状態方程式の計算を行った。得られた状態方程式から、内核の温度圧力条件における密度とバルク音速の推定を行った。これらの結果を地震波観測の文献値と比較することにより、内核の化学組成に対して制約を与えた。