[論文レビュー] 3-D Global modelling of the early martian climate under a dense CO2+H2 atmosphere and for a wide range of surface water inventories

Martin Turbet, F. Forget|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

Planetary Science and Exploration参考文献 82被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、密度の高いCO₂+H₂の大気下での初期火星を3次元グローバル気候モデルを用いてシミュレートし、H₂およびCO₂による温室効果が、調整された地形と水のインベントリを組み合わせることで、観測された谷間ネットワークや隕石衝突クレーター湖と整合する降雨パターンと流出量を生じることを示した。結果は、CO₂+H₂が初期火星の気候を温暖化させ、河川活動を引き起こす有効なメカニズムであることを支持する。

ABSTRACT

CO2+H2 greenhouse warming has recently emerged as a promising scenario to sufficiently warm the early martian surface to allow the formation of valley networks and lakes. Here we present numerical 3-D global climate simulations of the early martian climate that we have performed assuming dense CO2+H2 atmospheres. Our climate model, derived from earlier works by Forget et al. (2013) and Wordsworth et al. (2013), is coupled to an asynchronous model of the long-term evolution of martian glaciers and lakes. Simulations were carried out at 40° obliquity to investigate how (i) water content and (ii) H2 content (added to 1 or 2 bars of CO2) can shape the climate and hydrologic cycle of early Mars. We show that the adiabatic cooling mechanism (Wordsworth et al. 2013) that leads to the accumulation of ice deposits in the southern highlands in cold climate (the so called 'icy highland scenario') also works in warm climates, with impact crater lakes acting as the main water reservoirs. This produces rainfall mainly localized in the southern highlands of Mars. If one adjust (i) the amount of CO2 and H2, (ii) the size and location of the water reservoirs, and (iii) the ancient topography (i.e. by removing Tharsis), the spatial patterns of surface runoff (from rainfall or snowmelt) in the simulations can match -- with a few exceptions -- the observed distribution of valley networks and impact crater lakes. Although our results are obtained for CO2-dominated atmospheres enriched with H2, they should also apply to assess the impact of any combination of powerful long-lived greenhouse gases on early Mars.

研究の動機と目的

• 初期火星におけるノアキアン期の谷間ネットワークおよび湖の形成と整合する気候条件を、CO₂+H₂による温室効果が生じるかどうかを調査すること。
• 表面の水インベントリおよびH₂濃度が、グローバルな水循環および降水量パターンに与える影響を評価すること。
• 古代の地形、特にタルシスの欠如が、流出量の分布および湖の形成に与える影響を評価すること。
• CO₂+H₂による温潤な気候が、火星表面で観測された河川的特徴の空間的パターンを再現できるかどうかを特定すること。
• 大気からの大気損失およびアルベドフィードバックを考慮しても、H₂が液体水を長期間にわたり維持可能であるという可能性を検討すること。

提案手法

• Forgo et al. (2013)およびWordsworth et al. (2013)の3次元グローバル気候モデルを、初期火星の条件に適合させた。
• 長期的な氷河的および湖沼的進化をシミュレートする非同期モデルと大気モデルを結合し、水の貯留挙動を模擬した。
• CO₂（1–2 bar）およびH₂（最大100 mbar）の濃度を変化させた条件下で、40°の黄道傾斜角における気候反応を調査した。
• Turbet et al. (2020a)によるCO₂+H₂の改訂版衝突誘起吸収（CIA）データを用い、放射移動の精度を向上させた。
• 流出量および降水量パターンに対する感度を評価するため、表面の水の分配および地形（例：タルシスの削除）を調整した。
• 地質的制約（谷間ネットワークの位置、クレーター湖の盆地、閉鎖性湖と開放性湖の分布）と照らし合わせて、モデル出力を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO₂+H₂による温室効果が、初期火星で液体水の流れを可能にする十分な地表温度を生じるか？
• RQ2 水インベントリおよびH₂濃度の変動が、降水量および流出量の空間的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 調整された古代地形（例：タルシス以前）を用いることで、シミュレートされた流出パターンと観測された谷間ネットワークをどの程度まで一致させられるか？
• RQ4 なぜ、シミュレーションでは高地部に位置するクレーター湖が頻繁に溢れてしまうのか？これは、閉鎖性湖が開放性湖を上回って観測されていることと矛盾する。
• RQ5 氷のアルベドフィードバックおよび赤道付近の永年凍土帯のパラドックスが、河川活動を維持するために必要なH₂濃度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• かつて寒冷気候に結びつけられていた断熱冷却メカニズムが、温潤なCO₂+H₂気候でも作用し、南西高地に氷の堆積を引き起こす。
• 降雨は主に南西高地に局在し、温暖なシナリオではクレーター湖が主要な水貯留源となる。
• 調整されたCO₂（1–2 bar）、H₂（最大100 mbar）、および地形（例：タルシスなし）を組み合わせた場合、流出パターンは観測された谷間ネットワークおよび湖の分布とほとんど例外を除いて一致する。
• マルガリティフェル・シヌス付近に谷間ネットワークが存在するという事実は、タルシスが谷間ネットワーク形成後に発達したと仮定したモデルと整合的である。
• ヘラス盆地に海洋が形成されなかったと仮定することで、ノアキス・テラのような地域に谷間ネットワークが存在しないことの説明が可能になる。
• 高地部における高い降水量率により、クレーター湖が頻繁に溢れてしまうが、これは閉鎖性湖が開放性湖を上回って観測されているという地質的観測と矛盾する。