惑星海洋学

惑星海洋学（アストロオーシャングラフィーまたはエキソオーシャングラフィーとも呼ばれる）[ 1 ]は、地球以外の惑星や衛星の海洋を研究する分野です。この分野は、ボイジャー計画によって土星の衛星タイタン[ 2 ]と木星の衛星エウロパ[ 3 ]の地下海が発見された後に発展しました。カッシーニ計画は、タイタンの表層に液体メタンの湖を観測し、エンケラドゥスの地下海水のプルームを直接採取しました。

火星と金星は、地質学上の歴史の初期には、広大な水の海を有していたと理論づけられています。火星の海仮説は、火星の表面の約3分の1がかつて水で覆われており、暴走温室効果によって金星全体の海が蒸発してしまった可能性を示唆しています。塩やアンモニアなどの化合物は、水に溶けると水の凝固点を下げるため、地球外環境では塩水や対流する氷として大量の水が存在する可能性があります。多くの準惑星や天然衛星の表面下には海が存在すると考えられており、特に衛星エウロパの海は地球の2倍以上の水量があると推定されています。

太陽系の巨大惑星は、未だ組成が確認されていない液体または超臨界状態の大気層を持つと考えられています。太陽系外惑星や系外衛星にも海洋が存在する可能性があり、その中には恒星周回ハビタブルゾーン内の液体の水からなる表層海洋も含まれます。海洋惑星は、表面が完全に液体で覆われている仮説上の惑星タイプです。[ 4 ] [ 5 ]

地球外の海は、水、あるいは他の元素や化合物で構成されている可能性がある。地球外の表層液体として確認されているのは、タイタンの湖のみであり、これは水ではなく炭化水素で構成されている。しかし、太陽系の他の場所にも地下水の海が存在するという強力な証拠が存在する。太陽系における地下水の海の存在候補として最も有力視されているのは、木星の衛星エウロパ、ガニメデ、カリスト、そして土星の衛星エンケラドゥスとタイタンである。[ 6 ]

地球は表面に安定した液体の水の塊を持つ唯一の既知の惑星であり、太陽系でもそのような惑星は唯一ですが、他の天体にも大きな海があると考えられています。[ 7 ] 2020年6月、NASAの科学者は、数学的モデリング研究に基づいて、天の川銀河では海を持つ太陽系外惑星が一般的である可能性が高いと報告しました。[ 8 ] [ 9 ]

巨大ガス惑星の内部構造は未だ十分に解明されていない。科学者たちは、水素が極度の圧力下では超臨界流体として振る舞うと推測しており、木星のような巨大ガス惑星の内部深部には液体水素の海が存在する可能性がある。[ 10 ] [ 11 ]液体炭素の海は、海王星や天王星といった巨大氷惑星にも存在すると仮説されている。[ 12 ] [ 13 ]マグマの海は、あらゆる惑星や一部の自然衛星において、集積期に惑星や自然衛星が完全にまたは部分的に溶融しているときに形成される。[ 14 ]

地球外の海

エンケラドゥスの地下海の想像図が2014年4月3日に確認された[ 15 ] [ 16 ]
エウロパ内部の図。全球の地下海が描かれている。

惑星

巨大ガス惑星である木星と土星は表面を持たず、代わりに液体水素の層を持つと考えられていますが、惑星の地質は十分に解明されていません。巨大氷惑星である天王星と海王星の厚い大気の下には、高温で高圧の超臨界状態の水が存在する可能性があるという仮説が立てられています。その組成はまだ完全には解明されていませんが、2006年にウィクトロヴィッチとインガーサルが行った研究では、海王星にそのような水の「海」が存在する可能性は否定されています[ 17 ]。ただし、金属液体炭素の海が存在する可能性はあります。

火星の海仮説は、火星の表面の約3分の1がかつて水に覆われていたことを示唆しているが、火星の水はもはや海ではない（その多くは氷床に存在している）。この可能性は、火星の水が一見消えたように見える理由とともに、現在も研究が続けられている。現在、一部の天文学者は、金星には20億年以上前から液体の水、あるいは海が存在していた可能性があると提唱している。[ 18 ]

天然衛星

地殻とマントルを切り離すのに十分な厚さの液体の水の層が、天然衛星のタイタン、エウロパ、エンケラドゥス、 ガニメデ、[ 19 ] [ 20 ]そしてトリトン、[ 21 ] [ 22 ]、また確実性は低いがカリスト、[ 23 ] [ 24 ]ミマス、[ 25 ]ミランダ、アリエルにも存在すると考えられている。[ 26 ]イオにはマグマの海が存在すると考えられている。[ 27 ]土星の衛星エンケラドゥスでは間欠泉または噴気孔が発見されており、表面の氷殻の下約10キロメートル（6マイル）の海から発生した可能性がある。[ 15 ]他の氷衛星にも内部海があるか、かつて内部海があったが現在は凍っている可能性がある。[ 28 ]

タイタンの表面には、液体炭化水素の大きな塊が存在すると考えられていますが、それらは海洋と呼べるほどの大きさではなく、湖や海と呼ばれることもあります。カッシーニ・ホイヘンス宇宙探査機は当初、乾燥した湖底と空の河川と思われるものを発見したのみで、タイタンがかつて有していたであろう表層液体を失ってしまったことを示唆していました。その後、タイタンへのフライバイにより、レーダー画像と赤外線画像が得られ、寒冷な極域に炭化水素湖が連なっていることが示されました。タイタンは、外殻上に形成される炭化水素混合物に加えて、氷の下に地下の液体と水の海が存在すると考えられています。

準惑星と太陽系外惑星

ケレスの内部構造を示す図

ケレスは岩石の核と氷のマントルに分化しているようで、その表面の下には液体の水の海が存在する可能性がある。[ 29 ] [ 30 ]

より大きな太陽系外縁天体については、海洋を支えることができる分化した天体であるかどうかを判断するのに十分な情報がわかっていませんが、放射性崩壊モデルは、冥王星、[ 31 ]、エリス、セドナ、オルクスには、厚さ約100〜180キロメートル（60〜110マイル）の固体の氷の地殻の下に海があることを示唆しています。[ 28 ] 2020年6月、天文学者は、準惑星冥王星が最初に形成されたときに、地下に海があり、その結果、居住可能であった可能性があるという証拠を報告しました。[ 32 ] [ 33 ]

太陽系外

表面に液体の海を持つ仮想の大型太陽系外衛星のレンダリング

太陽系外の惑星や衛星の中には、地球と同様にハビタブルゾーン、あるいは「液体水ベルト」に存在する水海洋惑星を含む、海を持つ可能性のあるものが存在する。しかしながら、分光法を用いても海の存在を検出することは極めて困難であり、決定的な証拠は得られない可能性が高い。

理論モデルによれば、トランジットで検出されたGJ 1214 bは、その質量の75%を占める異種の氷VIIで構成されており、海洋惑星 であるという高い確率で予測されている[ 34 ]。

その他の候補惑星は、質量とハビタブルゾーン内の位置に基づいて推測されるに過ぎませんが、その組成についてはほとんど分かっていません。一部の科学者は、ケプラー22bが「海のような」惑星である可能性があると推測しています。[ 35 ]グリーゼ581 dには、表層に海が存在する可能性のあるモデルが提案されています。グリーゼ436 bは「熱い氷」の海を持つと推測されています。[ 36 ]親星のハビタブルゾーン内にある惑星、特にガス巨星を周回する系外衛星は、理論的には表層に海を持つ可能性があります。

地球型惑星は集積過程において水を獲得します。その一部はマグマの海に埋もれますが、大部分は水蒸気大気に吸収され、大気が冷えると表面に崩壊して海を形成します。また、マグマが固化するとマントルから水が放出されます。これは、質量に占める水の割合が低い惑星でも起こるため、「スーパーアース系外惑星は、最後の大規模な集積衝突から数千万年から数億年以内に、一般的に水の海を形成すると予想される」とされています。[ 37 ]

水以外の表面液体

地球の海に次いで最大の表層液体体として知られるタイタンのクラーケン海を捉えた合成開口レーダーの擬似カラーモザイク画像。中央上部の左側に大きな島メイダ島、左上にジンポー湖が見える。右上にはリゲイア海の一部が見える。

海、湖、その他の液体は、水以外の液体で構成されている可能性があります。例えば、タイタンの炭化水素湖が挙げられます。トリトンの窒素の海の可能性も検討されましたが、除外されました。[ 38 ]ガニメデ、カリスト、エウロパ、タイタン、エンケラドゥスの衛星の氷の表面は、非常に密度の高い液体の水、または水とアンモニアの混合溶液の海に浮かぶ殻であるという証拠があります。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

親星に非常に近い太陽系外地球型惑星は潮汐固定されているため、惑星の半分はマグマの海となっている。[ 44 ]地球型惑星は、巨大衝突 の結果として、形成途中のある時点でマグマの海を持っていた可能性もある。[ 45 ]親星に近い高温の海王星は、流体力学的脱出によって大気を失い、表面に様々な液体を伴った核が残る可能性がある。[ 46 ]適切な温度と圧力がある場合、惑星上で液体として豊富に存在する可能性のある揮発性化学物質（サラソゲン）には、アンモニア、アルゴン、二硫化炭素、エタン、ヒドラジン、水素、シアン化水素、硫化水素、メタン、ネオン、窒素、一酸化窒素、ホスフィン、シラン、硫酸、水などがある。[ 47 ]

超臨界流体は液体ではないものの、液体と様々な特性を共有しています。天王星と海王星の厚い大気の下には、水、アンモニア、その他の揮発性物質からなる高温高密度の流体混合物の海が存在すると考えられています。[ 48 ]木星と土星の外層は、超臨界水素の海へとスムーズに変化します。[ 49 ] [ 50 ]金星の大気は96.5 %が二酸化炭素で、表面では超臨界流体となっています。

参照

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