火星の地下に水素の貯蔵層が存在

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東京工業大学の臼井寛裕さんらが火星隕石の分析から、火星の地下に水素の貯蔵層が存在することを発見した。その貯蔵量は過去に火星表面に存在した海水量に匹敵する可能性があるという。

【2014年12月24日 東京工業大学

火星ではこれまでの探査で、約30億年より古い地質を中心に、多くの流水地形や多種類の含水粘土鉱物が広範囲にわたって発見されており、かつてその表層は液体の水が存在できるほど温暖で湿潤な環境であったことが示唆されている。しかし、現在の火星では極域に少量の氷が発見されているのみで、生命の存在条件に影響を与える水の歴史(「いつ」「どのように」失われ、現在「どこに」「どのような形で」「どのくらい」存在しているのか)に関しては、統一した見解が得られていない。

水の主成分である水素同位体は、海や氷床の蒸発、水蒸気を含む大気の宇宙空間への散逸過程において顕著に物理学的・化学的プロセスを経て変化するため、水の歴史を知るうえで好都合である。しかし水素同位体は二次的変質や分析時の汚染の影響を受けやすく、火星隕石をはじめ信頼性の高い分析が行われてこなかった。

東京工業大学の臼井寛裕さんはNASAジョンソン宇宙センター、米・カーネギー研究所と共同で、低汚染での水素同位体分析法を開発し、火星表層水成分を含む火星隕石中の衝撃ガラスに着目して分析を行った。衝撃ガラスは微惑星など小天体の衝突による衝撃で形成されたもので、衝突の影響により火星大気・表土成分が混入していることが示唆されている。そして、そこに含まれる微量な火星の表層水成分の高精度水素同位体分析、つまり過去の火星表層水の高精度水素同位体分析に、世界で初めて成功した。

火星隕石に含まれる衝撃ガラス(赤矢印)の電子顕微鏡写真
火星隕石に含まれる衝撃ガラス(赤矢印)の電子顕微鏡写真(提供:T. Usui、以下同)

分析の結果、表層水の成分が、火星誕生時からマントル中に保持されている始原的な水、あるいは火星大気中の水蒸気のいずれとも異なる、中間的な水素同位体比であることがわかった。また、この中間的な水素同位体は、液体の水の循環が活発であった約40億年前の水の水素同位体比を反映していることから、当時の水がその後、氷(凍土)か含水鉱物として火星地殻内部に取り込まれたというモデルを提示した。さらに、地下に取り込まれた水の貯蔵量は当時の海水量に相当するという計算結果も示した。

今回発見された新たな水素の貯蔵層の場所を表した火星の模式断面図
新たな水素の貯蔵層の場所を表した火星の模式断面図。水素貯蔵層は(a)含水鉱物として地殻中に取り込まれるか、(b)氷として凍土層として存在する。凍土層として存在する場合は、古海洋が存在したと考えられる北半球に水成堆積物と互層する形で存在すると予想される。クリックで拡大

今回の研究によって、一見すると乾燥した砂漠のような惑星である火星に、現在も大量の水素が氷(H2O)あるいは含水鉱物(OH基)として地下に存在していることが示された。水素は重要な生命必須元素のひとつであり、この地下の水素を利用した火星生命が、紫外線や宇宙線の影響を逃れるかたちで存在している可能性もあるかもしれない。

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