共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 全球気候モデルと全球氷床モデルの連携による系外惑星における水・物質循環の解明
新規・継続の別 継続（R05年度から）
研究代表者／所属 東北大学大学院理学研究科
研究代表者／職名 特任研究員
研究代表者／氏名 鎌田有紘

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 黒田剛史 東北大学大学院理学研究科 助教

2

 小玉貴則 東京科学大学地球生命研究所 特任准教授

3

 古林未来 東北大学大学院理学研究科 博士1年

4

 グレーべラルフ 北大低温研

研究目的 　今日までに太陽系近傍では5800以上の系外惑星が観測されており，その多くがM型星を周回する惑星である．こうした惑星の公転軌道は主星と近く潮汐固定された惑星環境のため，昼夜間の温度差が大きく，昼側から夜側にH2O・CO2が一方的に輸送され，夜側で凝結して厚い氷床となると推測されている．しかしながら，これまでの系外惑星におけるGCMを用いた研究では惑星気候のハビタビリティーが中心的に議論され，惑星全体で整合のとれたH2O・CO2循環を考慮したモデル研究はあまりなされてこなかった．本研究は，系外惑星に関する従来の研究で十分に考慮されてこなかった雪氷圏が惑星気候に与える影響をGCMとの連携により解明することを目的とする．
　　
研究内容・成果 　本研究では，応募者がこれまでに開発してきた全球気候・河川・氷河結合モデルを改良し，全球で整合的なH2O・CO2循環を実現し，雪氷圏がTRAPPIST-1惑星系の気候に及ぼす影響を検証した．本モデルでは，河川の温度診断・蒸発・凍結計算，さらには夜面でのH2O・CO2氷床の相互作用を実装している．また，TRAPPIST-1eの離心軌道に伴う内部潮汐加熱による地殻熱流量が夜面の氷床底面融解を引き起こし，夜面から昼面への物質循環に与える影響を調べた．水平分解能はT42(約2.8度)として鉛直30層とした．放射伝達計算にはTRAPPIST-1の恒星スペクトラムを使用し，地表面気圧は1〜2気圧，大気成分としてはN2またはCO2を仮定した．本研究では，初期水源として昼面に一定量のH2O海洋を仮定し，時間の経過とともにH2Oがどのように昼面・夜面に分配され平衡状態に至るのかを調べた．
　その結果，昼夜境界領域の夕方側においては，恒星直下点から流れてくる暖気の流入によって，朝側よりも常に暖かくなり，夕方側で活発な氷床表面・底面での融解が促進され，昼側に向かって河川が形成されることがわかった．昼側の川は恒星直下点に向かうにつれて徐々に加熱され，蒸発し，最終的に水蒸気は雪として夜側に降り積もるという惑星規模のダイナミックな水循環が確認された．こうした活発な氷床表面・底面での融解，さらには河川の生成・消滅は，TRAPPIST-1eに複雑な気候システムが存在することを示しており，今後のJWSTによる観測で得られる結果の解釈に重要な示唆を与えるものとなった．また， 秤動が昼夜境界領域の安定性に時間的変動をもたらすことがわかった．
　こうした一連の研究成果は本年5月に開催されるJpGU2025の系外惑星セッションで発表される予定である．
　　
成果となる論文・学会発表等 Kamada， A， Kuroda， T.， Kobayashi， M.， Kodama， T. & Greve， R. Day-night water cycle dynamics on Trappist-1e using an integrated global climate， hydrological， and glaciological modeling. JpGU Meeting 2025， Makuhari Messe， Chiba， Japan. (発表予定・予稿投稿済み)