タイタン探査の魅力関根康人（東京大学・新領域）杉田精司・石丸亮・今中宏・松井孝典 S. Lebonnois, B.N. Khare, C.P. McKay 1月28日国際共同木星総合探査計画LAPLACE・WG会合タイタンとは？ • 土星系最大の衛星（半径=2600km）⇔ 火星:3400km • 窒素とメタン(数％)の大気（地表1.5 bar） • 地表温度：～93 K （メタンの海？） • オレンジ色の有機物エアロゾル ⇒ 地表の様子不明 Cassini/Huygens探査 (2004–) Cassini Orbiter: レーダー, VIMSによる地表マッピング Huygens probe: 地表面着陸 ⇒ 明らかになってきた地表状態タイタンの地表：赤外マッピング(VIMS) ③液体の湖の発見 night ⑤低温火山？ ④氷の砂丘 ①河川地形 Xanado Huygens 着陸地点 ②南極・巨大雲の発生 (Barnes et al. in press) ･水氷の高地(大陸) ･全球的な海はない･若い地表 (Lorenz et al. in press) (Porco et al. 2005) (Lorenz et al. 2007) ① 河川地形：Huygens着陸機 ● 着陸地点付近（上空 10km, 6.5km） ● 着陸地点河川地形昔の海岸線？ 2.5 km 15cm 雲丸石 (Tomasko et al. 2005) ・かつて(＜100万年)液体が大規模に流れた？・高地の侵食と低地への堆積 (Niemann et al. 2005) ・メタンの湿地 ② 南極(夏極)の巨大雲(メタン) ・地上望遠鏡による赤外観測・Cassini探査機のレーダー観測メタンの雲 (Brown et al. 2002) 大規模な流水地形 (Porco et al. 2005) ・夏極で大規模な雲（活発なメタンの蒸発）・中緯度に集中した流水地形 ⇔ 大気大循環モデル (Rannou et al. 2006) ③ 北極域(冬極)のメタンの湖 400 km ④ 赤道域の氷の砂丘 90 N tidal wind zonal wind 0 ナミブ砂漠（地球） 90 S ⇔ ・赤道域の暗い領域の多くは砂丘・乾燥地域・風向も推定 (Lorenz et al. 2006) 100 km ⑤ 低温火山（？）カルデラのような地形 (Sotin et al. 2005; Lopes et al. 2007; Lunine et al. in press) 筋状にのびる雲大気・地表のメタンを供給？地表環境のまとめタイタンは、人類がようやく見つけた “生きている（物質循環のある）”天体であるメタンの凝縮（湖）大気循環メタン循環火成活動？乾燥地域+湿地（堆積物・砂丘）水氷の大陸 (風化・浸食）メタンの蒸発タイタンに関する重要な問題 • 地表環境の安定性・進化・タイタンは４５億年間、今の姿だったのか？ • 大気の起源・進化・窒素大気の起源・メタンの源は？・液体メタンの総量はどれくらいか？ • 有機分子はどこまで複雑化しているのか？・エアロゾルの組成、構造は？地表環境の安定性・メタンの温室効果（正のフィードバック）・エアロゾルの反温室効果太陽光 90％をカット地表温度決定メタン枯渇低温火山(メタン供給) 太陽光度上昇全球凍結状態？温度 ~ 60K (Lorenz et al. 1997) 太陽光度上昇湿潤な現在のタイタン暴走温室状態？ (McKay et al. 1999) 土星磁気圏の重要性・大気へのエネルギー源の比較土星磁気圏の荷電粒子・土星磁気圏とタイタンタイタン土星磁場（太陽風）変動によって、タイタン地表環境は大きく影響を受ける・長期進化（10億年スケール）・中期変動（100年スケール） (Sagan & Thompson 1984) 地表環境の安定性：エアロゾルの役割 (Sekine et al. 2008a, b) • 水素原子(H)の行方 C4H2 エアロゾル気相3体反応 H H2 紫外線、荷電粒子 C4H10 • エアロゾル表面反応 CH4 (Yung et al. 1984; Bakes et al. 2003) ⇒ 実験データがない • 1-D光化学モデル • 実験装置模擬タイタンエアロゾル (CxHyNz) 低温ポンプ（150-300K) ガス分析 Diffusion pump D2 gas D atom irradiation Cold plasma (D2 → 2D) 赤外分光分析 H2(HD)生成率・カッシーニの観測(C4H2)と調和的 (Sekine et al. 2008a, b) ・エアロゾルの材料分子が増加エアロゾル生成がメタンの正のフィードバックのブレーキ？メタン濃度増加、地表温度増加エアロゾル密度上昇水素原子の除去、不飽和分子増加さらにエアロゾル密度上昇地表温度低下、メタン濃度低下 (Sekine et al. 2008a, b) 砂丘が語る？大気の歴史 90 N インターデューン基盤岩アメリカデスバレー 0 レーダーサウンダー ⇒ 堆積物層の厚さ(量) 100 km 堆積物の量/有機物生成率 ⇒ 形成時間（～大気の存在時間）・砂丘の粒子：有機物多、水氷少有機物氷＋エアロゾル・基盤岩：高地に近い組成 (Barnes堆積物 et al., in press) H2O-rich crust CH4-C2H6 地下湖？ 90 S ポスト・ホイヘンス：着陸機のねらい • 砂丘に堆積した“砂”を採取 ⇒有機物氷、エアロゾル組成・構造は？ • 大陸地殻の組成は？ ⇒初期分化、材料物質 • 湖の組成は？ • 低温火山の活動は？メタンフラックス 2012 – Back to Titan まとめ：タイタン探査の魅力 • タイタンは生きている（物質・大気循環や気候のある）天体である • その地表環境の形成・進化・安定性を知ることは面白い、またそれらは惑星気象学 (陸惑星、ハビタビリティー)、惑星システム進化学の理解にもつながる