[論文レビュー] Structure and Dynamics of Cold Water Super-Earths: The Case of Occluded CH4 and its Outgassing

A. Levi, Dimitar Sasselov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2014

Methane Hydrates and Related Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、水に富むスーパーターレスのメタン閉じ込めを調査し、氷の内部にメタンガスを閉じ込めた状態（満たされた氷）が形成されることで、低質量の惑星における内部温度上昇を示し、超イオン性および網状構造の氷相の形成を可能にする。また、メタン放出が引き起こすテクトニックプレートの動きが惑星を冷却することを示し、2 M⊕の惑星では1秒あたり10²⁷〜10²⁹個の分子の放出率を示しており、これが大気中で主要な成分となる可能性がある。

ABSTRACT

We study the transport of methane in the external water envelopes surrounding water-rich super-Earths and estimate its outgassing into the atmosphere. We investigate the influence of methane on the thermodynamics and mechanics of the water mantle. We find that including methane in the water matrix introduces a new phase (filled ice) resulting in hotter planetary interiors. This effect renders the super-ionic and reticulating phases accessible to relatively low mass planets lacking a H/He atmosphere. We model the thermal and structural profile of the planetary crust and discuss five possible crustal regimes. The formation of methane clathrate in the subsurface is shown to inhibit the formation of a subterranean ocean. This effect results in increased stresses on the lithosphere making modes of ice plate tectonics possible. The dynamics of the tectonic plates are analysed. We derive overturn and resurfacing time scales as well as the melt fraction underneath spreading centers. Ice mantle dynamics is found to be important for assessing the composition of the atmosphere. We formulate the relation between the outgassing flux of methane and the tectonic mode dynamics. We give numerical estimates for the global outgassing rate of methane into the atmosphere.

研究の動機と目的

• 水に富むスーパーターレスの氷のマントルにおけるメタンの閉じ込めが及ぼす熱力学的および機械的効果を理解すること。
• メタンゲストレートハイドレートの形成が、惑星のクーラス構造、テクトニクス、熱輸送に与える影響をモデル化すること。
• メタンの放出フラックスを定量的に評価し、それが惑星の大気を形成する上で果たす役割を明らかにすること。
• 満たされた氷がマントルダイナミクス（ overturn や表面再形成の timescale ）に与える影響を評価すること。
• メタンの放出が安定的または暴走的の大気形成を引き起こす条件を特定すること。

提案手法

• 高圧・高温下における亀裂層内のメタンゲストレート安定性を分析するため、相平衡モデルを用いる。
• ゲスト分子の移動周波数を推定するため、Lennard-Jones セルモデルを適用し、満たされた氷では ω₀ = 1.1×10¹³ s⁻¹ を得る。
• 100 GPaにおけるメタンを含む氷の熱伝導率を、Debye モデルと Umklapp 散乱の緩和時間に基づいて推定する。
• 熱輸送を支援するため、水マントルの底での音速（13.3 km s⁻¹）およびDebye 温度（1713 K）を計算する。
• テクトニックダイナミクスと放出フラックスを統合し、プレート速度と粘性率が大気中のメタン放出に与える影響を結びつける。
• SI ゲストレートハイドレートの実験データに適合する数値フィッティングを用いて、満たされた氷のパラメータを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタンの閉じ込めが満たされた氷として現れる場合、水に富むスーパーターレスの熱的・構造的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 メタンゲストレートハイドレートが地殻に形成される条件は何か？また、その形成が地下海の形成をどのように抑制するか？
• RQ3 特に速度と厚さが関与するテクトニックプレートのダイナミクスが、メタンの放出速度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 2 M⊕の惑星におけるメタンのグローバルな放出フラックスは何か？また、時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ5 どのような条件下で、放出メカニズムが安定的または暴走的大気メタン蓄積を引き起こすか？

主な発見

• メタンの閉じ込めが満たされた氷として現れることで、低質量のスーパーターレス（約5 M⊕）における惑星内部温度が上昇し、超イオン性および網状構造の氷相の形成が可能になる。
• 地下の氷層におけるメタンゲストレートハイドレートの形成は、地下海の形成を抑制し、リソスフィアの応力を増加させ、氷プレートテクトニクスの発生を可能にする。
• 表面再形成のスケールは、速く薄いプレートでは100万年（1 Ma）から、ゆっくりで厚いプレートでは1億年（100 Ma）まで変動し、粘性率と氷質量分率に依存する。
• 拡張中心部では、速いプレートでは数パーセントの溶融分が、厚くゆっくりしたプレートでは完全な溶融が発生し、放射性加熱をバランスさせる必要がある。
• 2 M⊕の惑星では、グローバルなメタン放出フラックスが1秒あたり10²⁷〜10²⁹個の分子に達し、これが大気中で主要成分となる可能性がある。
• 同じ放出メカニズムであっても、熱フラックスやテクトニックモードなどの惑星パラメータに応じて、安定的または暴走的大気メタン蓄積を引き起こすことがある。