地球惑星科学II 比較惑星学

地球惑星科学II
比較惑星学
北海道大学・環境科学院
藤原正智
http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/
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比較惑星学
• 惑星の素顔
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地球の特徴・特異性（番外編として「地球進化史」をwebに）
水星
金星、金星の大気現象
火星、生命の存在？
小惑星帯とはやぶさ
木星、土星、オーロラ
天王星、海王星、冥王星、惑星の定義
• 系外惑星の話
• 月の話
参考文献（全体）
・「太陽系と惑星」小森長生著（新版地学教育講座12）、東海大学出版会
・「地球惑星科学入門」第31章・第32章
・「地学図表」
（地球進化史については、「地球惑星科学入門」第II部、特に第14・16・17章）
2
太陽系の構造
・公転方向全て同じ。太陽自転方向に一致
・軌道面はほぼ同一平面上
・円に近い楕円軌道
・木星が最大（“太陽になれなかった星”）の惑星
・火星より内側：地球型惑星
・木星より外側：木星型惑星
・火星・木星間に小惑星帯
・カイパーベルト（彗星帯）
（40～100AU付近）
・オールト雲（彗星の巣）
の仮説
（1万～10万AU付近）
AU:天文単位（地球と太陽との平均
的な距離である約1.5億km）
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［全て、地学図表より］
地球ーその特徴・特異性
・巨大な衛星、月、の存在（地球の0.27倍）
・磁場の存在：液体金属の存在、磁気圏の形成（大気散逸の阻止）
・可視域で青（大気の存在）と白（H2Oの雲の存在）－太陽光の散乱
・気温の高度分布：中層に気温極大層オゾン（O3）の存在酸素の存在
・大気組成：主成分はN2とO2、主要な温室効果気体としてH2O、CO2、O3
・地形：いくつかの大陸といくつかの海洋プレートテクトニクス（マントル対流）
・海の存在大気中のH2O凝結（1気圧で100℃以下）、CO2が溶け地殻中へ送られる（「地球進化史」）
・生命の存在/人類の存在
酸素の存在
可視光や電波の放射
人工衛星
他には？？
右上：http://antwrp.gsfc.nasa.gov
/apod/archivepix.html
右下：小倉、一般気象学（東京大学出版会）
左・中央：地学図表
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水星
・大きさ：地球の0.4倍（月は0.27倍）
・軌道の離心率、黄道面に対する傾斜角、いずれも冥王星に次いで大きい
・公転周期88日、自転周期58.65日（=88x2/3…“尽数関係”）
・弱い磁場を持つ（地球の1%）
・大気がなく、地表温は昼に430℃、夜に－170℃ （地球の場合、大気からの熱放射が二倍＋熱輸送）
・水星の探査： 1973～1975 米国マリナー10号
（3回の水星接近により半球程度分の地形写真撮影）情報がまだまだ少ない
［地学図表より］
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金星
公転：ほぼ円軌道、周期224.7日。太陽からの距離0.72天文単位。
自転：周期243.02日で公転と逆向き。自転軸の傾き2度
金星の1日（1昼夜）は116.8日
（金星と地球の会合周期は584日（金星の5日分）内合時いつも同じ面）
紫外線画像
（雲層上部）
パイオニア・ビーナス
1978打ち上げ（米）
半径は地球の0.949倍。（地球の兄弟星）
マントルと核の比率は地球と同程度であろう。
固体核が形成されているかは不明。
磁場の強さは地球の10万分の1（自転周期からみて当然か）
プレートテクトニクスは存在しない（火山分布一様）
分厚い大気を持つ。主成分はCO2（96.5%）、
他にN2（3.5%）、H2O（0.1%）
地表気圧90気圧（地球では海底900mの水圧に対応）
地表気温420～485℃（CO2による温室効果）
硫酸（H2SO4）を主とする分厚い雲に覆われている
（金星対流圏上部高度50km付近、厚さ10km）
硫酸の雨は高度30kmあたりで蒸発してしまう
近赤外線画像
（雲層下部）
ガリレオ（木星探査機）
1989打ち上げ（米）
金星“フライバイ”時
電波画像（地形）
マゼラン
1989打ち上げ（米）
・微惑星衝突時代、H2O、CO2、N2等外部から供給される。
SO2は火山起源か。金星と地球で違いはほとんどなかったはず。
・地球と金星の違いは、太陽からの距離のわずかな違い海ができるかできないか＋自転速度
地球の場合、海が出来たため、CO2は海中に溶けたのち石灰岩化。
金星の場合、海が出来ず（あるいは一時期存在したがのちに全て蒸発（暴走温室効果））、また、
磁場が弱いため、H2Oは大気上空で光解離し、Hは大気圏外へ逃散、Oは地表や大気を酸化、消滅。
写真は全て http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/venus.html より
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金星
金星の気温・東西風の高度分布
日本の金星探査ミッション（JAXA）
“Planet-C”＝“あかつき”
スーパーローテーション
（超回転/雲パターンの4日循環）
自転が遅いにも関わらず、
自転方向に100m/sにも
達する高速の風が吹いている。
（地面の60倍の速さ）
粘性・地表摩擦に抗するだけの
角運動量の供給源が不明
cf. 地球の赤道成層圏の
準二年振動
［図は、金星探査計画提案書（2001）
およびそのパンフレットより］
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あかつきの年表
2010.5.21：種子島宇宙センターより打ち上げ
2010.12.7：金星周回軌道投入
推進系不具合により失敗
2011.9：エンジンのテスト噴射. . .
2011.11現在：金星軌道付近を金星より先に航行中
2015/6：あかつき、再び金星と会合
あかつき搭載カメラによる金星の画像
（左から、紫外、近赤外、中間赤外）提供：JAXA
http://www.stp.isas.jaxa.jp/venus/index.html
金星上空のあかつき（想像図）
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火星
公転：周期687日（約2年）。太陽からの距離1.38～1.67天文単位。
（ケプラー、楕円軌道であること発見）
自転：周期24時間37分。自転軸の傾き25度（地球に似る）
半径は地球の0.533倍。
マントルと核の比率は地球と同程度であろう。
液体核は薄く、大部分が固体となっていると思われる。
磁場の強さは地球の500～1000分の1（液体核の薄さか）
2つの衛星（フォボス、ダイモス）を持つ
西端：タルシス三山
中央：マリネリス峡谷
南部：ソリス平原
北部：アキダリア平原
オリンポス火山
（タルシス西方）
表面地形の特徴：北半球に大平原、南半球にクレーター密集地帯
多くの火山が存在：オリンポス山（高さ25km、直径600km、火口70km）
（cf. 地球最大の火山はハワイ島（海底からの高さ9km、直径200km））
大峡谷、溝状谷地形（過去にプレートテクトニクス、大洪水（温暖な気候））
極冠：両極に存在。下層が氷（H2O）、上層がドライアイス（CO2）。その季節
変化が地表気圧変動の主因（なお、氷は永久凍土の形で全域に存在か）
希薄な大気を持つ。主成分はCO2（95.3%）、
他にN2（2.7%）など。H2O（0.03%）
地表気圧0.007～0.01気圧（地球では中部成層圏35kmに対応）
地表気温－120～0℃（赤道の昼～極の夜）―温室効果効かない
氷晶やドライアイスの雲
砂嵐（大黄雲）―時期によっては火星をほぼ覆いつくす
南極冠
（塵による温室効果が風を強め、ますます塵を舞い上がらせる正のフィードバック）
写真は全て http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/mars.html より
9
火星
「火星には生命・知性が存在するのか」
19世紀末、スキャパレリ（伊）：火星表面に「カナリ」（溝、運河）発見
1894年、ローウェル（米）：私設天文台。「乾燥化の進む火星で生き残りをかけて火星人が運河を築いた」仮説
火星研究、小説、映画の発展
1960年以降、ソ連、米国が多くの火星探査機を投入（なぜか失敗が多い。日本のPlanet-B（のぞみ）も失敗。）
1976年、ヴァイキング1号、2号（米）：着陸し、土壌サンプルの分析。微生物の存在は不明瞭。
1996/1999年、NASAの研究者、火星からの隕石の分析によりバクテリアの痕跡を発見、と発表
「火星移住計画（Mars Direct）」（ロバート・ズブリン、“テラフォーミング”）
「顔面岩」（1976ヴァイキング2001マーズ・グローバルサーベイヤー：分解能の悪さが原因か）
Mars Pathfinder、Sojourner
1997年7月4日着陸
・大気圏突入・降下・着陸システムの試験
・岩石の化学組成
近い将来、サンプルリターン計画（岩石・土壌を
地球へ持ち帰り詳細に分析）
［National Geographic 1998.8号（日本版）］
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火星に水の流れが存在している手がかりが得ら
れたと、米アリゾナ大学などのチームが発表した。米航空
宇宙局（ＮＡＳＡ）の探査機が季節ごとに撮影した地表面
の画像に、春から夏にだけ現れる「筋」のようなものが写っ
ていた。チームは「塩類を含んだ水の流れと解釈するのが
最も妥当」と説明している。
５日付の米科学誌サイエンスに論文が掲載された。
火星に液体の水があれば、微生物などが存在している
可能性が高まる。ＮＡＳＡのボールデン長官も「火星に生
命が存在するかどうかの決着に向けて前進した」と語った。
火星の「筋」は、探査機「マーズ・リコネッサンス・オービ
ター」が撮影した。急な坂となっている複数の地点で見つ
かった。幅０．５～５メートル、長さ数百メートルで、岩と見
られる部分を迂回（うかい）して進路を変えたり、平らな部
分にたどりつくまでに消えてしまったりしているという。１地
点で１００本から１千本に上った。
朝日新聞2011年8月5日
冬から春先にかけての画像。地表に「筋」は写っていない
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初夏のころの画像。細い「筋」が現れ始めている
真夏のころの地表。いくつもの「筋」が、くっきりと現れている
小惑星帯・イトカワ・はやぶさ
小惑星帯：
• 火星と木星の間にある小惑星が集中している領域。
特にメインベルトとも呼ばれる。
• 太陽系形成期に、木星の強い重力のため集積できず
惑星になれなかった小惑星群
• 従って、太陽系形成期の状態を保っていると考えられる
• もしも、小惑星の表面の岩石等を、探査機によって
地球に持ち帰り（“サンプルリターン”）、詳細に調べること
ができれば、太陽系形成期の情報が得られることになる
http://spaceinfo.jaxa.jp/
イトカワ：
イトカワ
水星
太陽
金星
火星
地球
• 1998年：米国の研究プロジェクトにより発見
• 2003年：ITOKAWAと命名（MUSES-C/はやぶさの探査対象と
なり、日本からの依頼により、米国から国際天文学連合に提案）
• 小惑星帯の内側に存在。地球接近小惑星のひとつ。地球・火星の
影響を受け、その軌道は不安定。長期予測困難（200年まで）。
地球との衝突確率は100万年に1回。”Space Guard”上重要。
糸川英夫：
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•
1912～1999、「日本の宇宙開発・ロケット開発の父」
戦時中、中島飛行機（後の富士重工）にて戦闘機を開発（隼など）
戦後、東京大学にてロケット開発
1955: ペンシルロケットの水平発射実験、飛翔実験を行う 12
http://www.isas.ac.jp/j/snews/2005/1026.shtml
小惑星帯・イトカワ・はやぶさ
はやぶさの年表
http://edu.jaxa.jp/
着陸直前の実際の画像 ISAS/JAXA
• 2003.5：鹿児島宇宙空間観測所（現・内之浦宇宙
空間観測所）からM-Vロケット5号機で打ち上げ
• 2004.5：地球スイングバイ
• 2005.9：イトカワに到着（大きさ500m）
• 2005.11：イトカワへの着陸・離陸２回実施
• 2005.12：燃料漏れ・姿勢不安定化（みそすり
運動）・通信途絶（1ヶ月半）
• 2006.7：太陽光による輻射圧力を利用した新しい
姿勢制御を開始
• 2007.4：イオンエンジンに異常発生しながらも、
イトカワの軌道を離脱し、地球帰還に向けた
巡航運転開始  2010.6地球に帰還
着陸想像図 ISAS/JAXA ©池下章裕
13
小惑星帯・イトカワ・はやぶさ
2010年6月
帰還カプセル（イトカワ着陸時に微粒子採取）を切り離し、
地球大気圏突入。カプセルはオーストラリアにて回収。
帰還したカプセルの状況を確認する。カプセル分離の時に使用した火薬が未発火
で残っている危険性などを考慮し、防護服を着用している。
「はやぶさ」が最後に撮影した地球。画面右側は
夜の部分で、縦線は画像の乱れである。
http://spaceinfo.jaxa.jp/
参考文献（たとえば）：
吉田武「はやぶさー不死身の探査機と宇宙研の物語」幻冬舎新書
（糸川英夫の伝記含む）
別冊宝島1739ＮＨＫはやぶさ取材班「はやぶさの軌跡」
JAXA 小惑星探査機「はやぶさ」物語
http://spaceinfo.jaxa.jp/hayabusa/index.html
オーストラリアの南部ウーメラ地区にある砂漠に
14
落下する。
木星 Jupiter ジュピター
公転：比較的円に近い、周期11.86年。
太陽からの距離5.0～5.5天文単位。
自転：周期9時間55分。自転軸の傾き3度
半径は地球の11.2倍。
（太陽系最大。質量が小さく太陽にはなれず）
主成分は水素。少量のヘリウム。内部は液体分子水素
＋液体金属水素＋岩石質の核（中心から2割の距離分）
磁場の強さは地球の4000倍。大規模な磁気圏を持つ。
大きな内部熱源を持つ。
（重力エネルギー、岩石核中の放射性元素、など？）
いわゆるガリレオ衛星（イオ、エウロパ、ガニメデ、カリスト）＋多数
環を持つ（1979年ヴォイジャー1号発見）
大気の主成分は、H2（89%）,He（11%）。
三層の雲。上からNH3、NH4SH、H2Oの雲。
乱流、渦の縞模様。
「大赤斑」：南緯22度に300年以上存在（1664カッシーニ発見）。
縦横14,000、26,000km（地球2個分）。高気圧性回転。
そのメカニズムとして孤立波（ソリトン）説有力。
http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/jupiter.html より
（上）Hubble Space Telescope, 1995、（下）Voyager 1, 1979
15
土星
公転：比較的円に近い、周期29.46年。太陽からの距離約9～10天文単位。
自転：周期10時間39分。自転軸の傾き26.7度
半径は地球の9.5倍。
主成分は水素。少量のヘリウム。内部は液体分子水素＋液体金属水素＋氷・岩石質の核（中心から3割の距離分）
磁場の強さは地球の1000倍。磁気圏を持つ。
大きな内部熱源を持つ。（重力エネルギー、岩石核中の放射性元素、など？）
衛星：タイタン（N2大気（1.5気圧）、数%のCH4。CH4の雲、雨。CH4の湖か海？）＋多数
（2005.1.14、カッシーニ（欧・米）から放出されたホイヘンスがタイタンに着陸、大気測定、地表の写真）
大きな環を持つ（ガリレオは当初“2つのこぶ”と見た）
大気の主成分は、H2（94%）,He（6%）。三層の雲。上からNH3、NH4SH、H2Oの雲（木星と同様）。
http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/jupiter.html より
（左）Voyager 2, 1981 （false color）、（右）Cassini, 2004
16
土星
（NASA 2009年10月7日発表） “スピッツァー”赤外線宇宙望遠鏡にて、土星を囲む巨大な環
（従来のものよりはるかに大きい）を発見。衛星のひとつ“フェーベ”から供給された、氷やちり
の粒子だと考えられる。（太陽から遠く離れているので可視光望遠鏡でみるのは難しい。）
http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2009-19/release.shtml
17
木星と土星のオーロラ
木星オーロラの
衛星による
“footprint”
左端：イオ
中央：ガニメデ
下の二点：
エウロパ
土星オーロラは
地球同様太陽風
によるもの。
ただし紫外域で
しか見えない。
木星の場合は、衛星イオの火山噴火により放出された粒子がイオン化して木星
へ降り込んでいると考えられている。太陽風の寄与との大小関係はまだ不明。
［ハッブル宇宙望遠鏡の紫外光画像による木星と土星のオーロラ］
http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/
18
天王星、海王星、冥王星
天王星と海王星：木星型惑星とはいえ様相は異なる。赤道半径はいずれも地球の4倍弱。
内部は、岩石の核と氷のマントルか。大気はH2主体で少量のヘリウムだが、
上層にメタン（青緑色の原因）の雲（より低温のため）があり、下層にはH2Sの雲か。
自転軸の傾き：天97.9度、海27.8度。帯状循環が存在（星、緯度により向きは様々）
冥王星：カロンという衛星を伴う。赤道半径は地球の0.2倍。表面は窒素とメタンの氷。
自転軸の傾き120度。 2006年、「惑星」が再定義され、冥王星は「矮(小)惑星」に。
天王星
公転周期84年
18～20天文単位
自転周期0.72日（逆）
海王星
公転周期165年
30天文単位
自転周期0.67日（逆）
[Voyager 2, 1986]
[Voyager 2, 1989]
冥王星
公転周期248年
30～49天文単位
自転周期6.4日（逆）
カロン
公転自転ともに6.4日
（常に互いに同じ面）
[Hubble S. T.]
海王星の南半球
大暗斑（地球1個分、
1994（HST）には消えた？）、
“スクーター”（上昇雲？）、
小暗斑
（緯度により風速異なるため
これらが1枚の写真に入る
のは珍しい。）
[Voyager 2, 1989]
19
http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/
冥王星と惑星の定義
［ニュートン2006.11］
2006年8月26日、国際天文学連合の総会にて、惑星の新しい定義が決まる
・惑星とは：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星の８つ
・他に、矮(小)惑星（惑星とは違い、「その軌道近くで他の天体を掃き散らしていない」）、
太陽系小天体（小惑星、トランス・ネプチュニアン天体（カイパーベルト天体）、彗星など）
・冥王星は、「トランス・ネプチュニアン天体の新しい種族の典型例」
1992年以降、次々とカイパーベルト天体発見される。
2003UB_313の発見 20
“第10惑星”の発見  惑星の数が際限なく増加する懸念  冥王星が惑星から外れる
系外惑星
系外惑星：太陽以外の恒星の周囲に存在する惑星
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1995年にはじめて発見されて以来、500個近くが発見されている（http://exoplanet.eu/）
観測手法：ドップラー法（恒星のふらつき）とトランジット法（恒星の減光）（直接検出は困難）
“エキセントリックプラネット”：軌道の離心率が大きい惑星
“ホットジュピター”：恒星近傍に位置する大質量木製型惑星
“スーパーアース”：地球の数倍の質量を持つ惑星
問題は？
生命が存在するか
我々は宇宙で唯一の存在か
生命に必須とされる
液体の水が存在する
気候条件を持つ惑星があるか
参考文献：
生駒大洋, JGL, 6(4), 2010
http://www2.jpgu.org/publication/jgl/JGL-Vol6-4.pdf
石渡正樹, 細氷, 2010
21
http://msj-hokkaido.jp/saihyo.html
月の話
月：地球の唯一の衛星。地球の0.27倍の大きさ。地球から平均38万km（地球直径の30倍）。
公転周期27.32日、自転周期も等しい（つまり月はいつも（ほぼ）同じ面を地球に向けている）。
月の軌道面（白道）は地球の軌道面（黄道）に対して5度だけ傾いている
（一般に多くの衛星の軌道は中心惑星の赤道面内）。自転軸は黄道面にほぼ垂直。
［図は全て小森長生、東海大学出版会、より］
潮汐摩擦：地球の自転は年々遅くなっている（1日が長くなる）
同時に、月は3cm/年で遠ざかり公転運動加速
（4億年前は1日が短く1年が400日だった。）
内部構造：アポロ11号（1969）などにより設置された地震計
表面地形：平坦な暗い地域（“海”、おもて側に多く、溶岩による
埋め立てにより形成された）、
クレーターの多い明るい地域（“陸”または“高地”）
火山説（内因説）より隕石衝突説（外因説）が有力
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月の起源
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分裂起源説（親子説）
地球形成初期の高温・高速自転時に遠心力により分裂（ジョージ・ダーウィンの説）
地球形成初期の高温時に小天体が衝突、自転が加速されて表層部が分離
二重惑星説（兄弟説）
ごく近い場所で同時に形成
捕獲説（他人説）
遠い場所で形成した月が、後に地球に捕獲された
巨大衝突説（現在最も有力な説）
［地学図表］
23
まとめー比較惑星学ー
• 惑星の素顔
• 系外惑星の話
• 月の話
• 地球型惑星
– 水星（Mercury）
– 金星（Venus）
– 火星（Mars）
－翼のある使者－
－平和をもたらす者－
－戦いをもたらす者－
• 木星型惑星
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–
–
–
•
•
•
木星（Jupiter）
－喜びをもたらす者－
土星（Saturn）
－老いをもたらす者－
天王星（Uranus）－魔術を使う者－
海王星（Neptune）－神秘なる者－
冥王星（Pluto）－1930年発見、2006年「惑星」から外れる－
Gustav Holst （英） “The Planets” 1914-1916（冥王星は当時発見されておらず）
冨田勲＋Holst “Planets” 1977/2011（Moog Synthesizerによる4作目）
平原綾香 “ジュピター” 2003
24

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