[論文レビュー] Climate Optimum on Mars Initiated by Atmospheric Collapse

Edwin S. Kite, M. A. Mischna+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2017

Planetary Science and Exploration被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、火星のノア＝ヘスパリア境界における気候最適期——長期間にわたる河川活動を特徴とする——が、大気の崩壊によって引き起こされ、地下に存在するメタン包接化合物（CH₄-clathrates）の不安定化が原因で発生したと提案している。この現象によりメタンが放出され、強力な温室効果が発生した。その結果、10⁵–10⁶年間にわたる気候最適期が生じ、持続的な流出、地表風化、泥火山活動が誘発された。この最適期は、CH₄が破壊されたり、包接化合物が枯渇したことで終了した。

ABSTRACT

The progressive drying-out of Mars' surface was punctuated by a dramatic transient increase in fluvial erosion around the Noachian-Hesperian boundary ($\sim$3.7 Ga). Standard explanations of this climate optimum appeal to volcano- or impact-triggered climates and imply that individual runoff episodes were brief, apparently inconsistent with evidence for persistent runoff. We examine a scenario in which the duration, intensity and uniqueness of the Noachian-Hesperian climate optimum result from degassing of CH$_4$-clathrate consequent to atmospheric collapse. Atmospheric collapse causes low-latitude surface water ice to sublimate away, depressurizing and thus destabilizing CH$_4$ clathrate in subglacial pore space. Subsequent atmospheric re-inflation leads to warming that further destabilizes CH$_4$ clathrate. CH$_4$-induced warming is efficient, permitting strong positive feedbacks, and possibly raising Mars into a climate optimum. The optimum is brought to a close by photochemical destruction of CH$_4$ or by a new atmospheric collapse, and drawdown of the CH$_4$-clathrate reservoir prevents recurrence. This scenario predicts a 10$^5$-10$^6$ yr climate optimum, transient connections between the deep hydrosphere and the surface, mud volcanism, and strong surface weathering, all of which are consistent with recent observations. Crustal hydrothermal circulation very early in Mars history could yield CH$_4$ that would be incorporated into clathrate on approach to the cold surface. The scenario explains why regional watershed integration on Mars occurred relatively late and apparently only once, and suggests that the contrasts between Noachian versus Hesperian climate-sensitive deposits on Mars correspond to a transition from a never-collapsed atmosphere to a collapse-prone climate, ultimately driven by slow loss of CO$_2$ to space.

研究の動機と目的

• 標準モデルでは一時的な流出イベントしか想定しないにもかかわらず、火星で長期間にわたる河川侵食が観測されるというパラドックスを解明すること。
• ノア＝ヘスパリア境界（約37億年前）に観測された一時的で強い気候最適期を説明すること。
• 地域的水系の統合が一度だけかつ比較的遅くに発生した理由を説明すること。
• ノア期からヘスパリア期への気候感受性堆積物の移行を、大気の崩壊とCO₂の損失と結びつけること。

提案手法

• CO₂の損失によって引き起こされる大気の崩壊をモデル化し、地表の氷の昇華と地下の空隙に存在する氷の圧力低下を模擬する。
• 低気圧条件下でのCH₄包接化合物の不安定化をシミュレートし、大気中にメタンを放出する過程を再現する。
• メタンの放射強制力とフィードバック効率を評価するため、温室効果モデルを適用する。
• 大気の再充填とその後のCH₄光化学的分解を、最適期の終焉メカニズムとして評価する。
• 初期のCH₄供給源としての地殻内部熱水活動を統合する。
• 地質的制約を用いて、地表風化、泥火山活動、一時的な水循環の接続性に関する予測を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短時間の流出イベントしか想定されないにもかかわらず、何が10⁵–10⁶年間にわたる火星の気候最適期を維持可能にしたのか？
• RQ2 CH₄包接化合物は、初期火星における長期間にわたる温室効果をどのように促進したのか？
• RQ3 なぜ地域的水系の統合は一度だけ、かつ火星の歴史の後半にのみ発生したのか？
• RQ4 ノア＝ヘスパリア気候最適期は、何によって終焉したのか？
• RQ5 大気の崩壊は、気候温暖化と地表水循環活動に至る一連の出来事をどのように引き起こしたのか？

主な発見

• 気候最適期は10⁵–10⁶年間続いたが、これは持続的な河川侵食の地質的証拠と整合的である。
• 大気の崩壊が低緯度の氷の昇華を引き起こし、圧力低下を生じさせ、地下のCH₄包接化合物の不安定化を引き起こした。
• メタンの放出が強力な温室効果を引き起こし、地表に液体水を可能にし、持続的な河川活動を可能にした。
• 大気の再充填が包接化合物のさらなる不安定化を引き起こし、正のフィードバックによって温暖化を強化した。
• 最適期はCH₄の光化学的分解または新たな大気の崩壊によって終焉し、包接化合物の貯留が枯渇した。
• このシナリオは、ノア＝ヘスパリア移行の特異性と、その後に類似する出来事が発生しなかった理由を説明できる。