発表資料

２００９年度ＥＳ利用報告会
実地球環境でのマントル・コア活動の
数値シミュレーション
研究代表者： 浜野 洋三（JAMSTEC・IFREE）
発表者： 櫻庭 中（東京大・理）
柳澤 孝寿, 山岸 保子（JAMSTEC, IFREE）
松島 政貴, 高橋 太（東京工業大・理）
清水 久芳, 小山 崇夫（東京大・地震研）
中久喜 伴益（広島大・理）
亀山 真典（愛媛大・地球深部ダイナミクス研究センター）
吉岡 祥一（九州大・理） 長尾 大道（統計数理研）
大石 裕介（富士通） Dave Stegman（Monash Univ.）
松井 宏晃（UC Berkeley）
プロジェクトの目的
• マントル・コア系のダイナミクスを知る．
– より現実的なマントル対流，コア対流モデルの確立．
– コア・マントル境界の地球科学的意味．
• 地磁気を通して地球内部を見る．
– コアにおける地磁気生成メカニズム（ダイナモ作用）を知る．
– 地磁気変動データをもちいた地球内部構造推定．
本日の報告内容
1. 低粘性地球型ダイナモの基礎プロセス．
2. プレート運動とスタグナントスラブの形成を再現する
球殻マントル対流モデル．
1. 低粘性の地球型ダイナモモデル
• コア対流の特徴：
1. 低い粘性: エクマン数 10-15, 磁気プラントル数 10-6.
2. 強い磁場: エルサッサ数 1 〜 10.
• スペクトル変換法.
–
球面調和関数 320 次, チェビシェフ多項式 200 次.
• エクマン数 2.5 x 10-7, 磁気プラントル数 0.2 を
実現．
• 強い磁場の再現．大規模対流構造の再現．
–
過去の高粘性ダイナモの結果とは質的に異なる．
低粘性ダイナモにおける温度境界条件の重要性
z = 0.1 コア半径 での断面（Sakuraba & Roberts, 2009）
コア表面「熱流束」一様モデル
コア表面「温度」一様モデル
動径方向の流速
東西方向の磁場
大規模な構造＋強い磁場
微細な構造＋弱い磁場
低粘性ダイナモにおける温度境界条件の重要性
熱流束一様
温度一様
: 東西流
熱流束一様
温度一様
: 温度場（非球対称成分）
熱流束一様の場合： 赤道付近に強い西向きの「温度風」
低粘性ダイナモにおける温度境界条件の重要性
軸対称温度場の支配方程式：
シミュレーション結果
熱流束一様
温度一様
仮に右辺（source term）が同じだったとして
も, 温度の振幅は, コア表面での境界条件に強
く依存する。
熱流束一様のとき
温度一様のとき
: 温度場（非球対称成分）
なぜ温度境界条件が重要か？
• コア表面の温度擾乱をゼロに固定し
ないと，極と赤道とのあいだに大き
な温度差が生まれる.
• それが赤道付近の西向きの温度風を
駆動.
• オメガ効果により強いトロイダル磁
場が生成.
• 強いトロイダル磁場のもとでは大規
模な流れが維持される．
• 大規模な構造は磁気拡散効果を抑え，
磁場生成が促進.
• 「強磁場ダイナモ」の実現．
熱流束一様
温度一様
磁場の東西成分
（トロイダル磁場）
低粘性ダイナモのレイリー数依存性
コア表面磁場
東西流 (1,0)
• 低粘性ダイナモのスケーリング則．
• 今後さらにモデルを高解像度化して，より高いレイリー
数領域での系のふるまいを知る必要がある．
地磁気の短時間変動のシミュレーション
• 低粘性 → より短周期の磁場変動が見えてくる．
• 例： 地磁気ジャーク，コアのねじれ振動，西方移動.
2. 球殻マントル対流
• 有限要素法にもとづく球殻熱対流．
• 大小の「プレート」で覆われた表面パターンの
再現．
–
–
–
–
粘性の温度依存性.
地表付近での降伏現象.
鉱物の相転移．
下部マントルでの粘性率増加．
• スタグナントスラブの形成, 崩落と海溝移動の
ようすを自己完結モデルで再現することに成功.
プレートで覆われた表面パターンの再現
２億年間での地表での沈み込み位置（海溝）の変化
Ｂ
Ａ
緑： ある時刻での位置
青： ２億年後
Yanagisawa, et al. (2009, submitted)
２億年間の対流の変動
• 沈み込み位置の急速な移動に
ともない，沈み込んだスラブ
が 660 km 相転移境界付近に
横たわる．
– 地震波トモグラフィーで見えて
いるスタグナントスラブの再現．
– 地表のプレート運動の復元結果
と整合的．
• 間欠的なスタグナントスラブ
の崩落．
Yanagisawa, et al. (2009, submitted)
Ａ
Ｂ