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氷内部および界面に存在する気体分子の拡散と組織化

研究報告コード R070000309
整理番号 R070000309
掲載日 2008年4月11日
研究者
  • 深澤 倫子
研究者所属機関
報告名称 氷内部および界面に存在する気体分子の拡散と組織化
報告概要 南極大陸に存在する巨大な氷の結晶(氷床)は、過去数十万年の間に雪と共に堆積した様々な物質を保存しているため、過去の気候や地球環境についての情報源である。例えば、氷床から掘削した氷に含まれる空気成分の解析により、産業革命以降の二酸化炭素濃度の増加に伴う地表温度の上昇や、約10万年周期の氷期-間氷期サイクルに伴う地表温度と大気組成の変動等、過去の地球環境に関する重要な知見が得られている[1]。ところが、最近になって、氷床深層部で起こるクラスレート・ハイドレートの生成に伴い、氷床内の空気分子の分布が著しく変化することが明らかになった(図1)[2]。この現象は、氷結晶中の分子拡散に起因すると考えられ、氷床氷から過去の大気組成の変動を解析する際に重大な影響を及ぼすことが予測された[3]。南極氷床内部で起こる分子拡散は、空気分子の分布を変化させてしまうため、掘削した氷床氷から分析した空気成分の組成は、過去の大気組成を正確に表していないということになる。従って、氷床氷から正確な過去の大気組成の変動を読みとるためには、分子拡散の影響を考慮した解析を行わなくてはならない。しかし、氷結晶中の分子拡散は、数十万年の時間を経た南極氷床だからこそ観測できた非常に遅い現象であり、実験室レベルのタイムスケールでは観測された例がなかったため、その物理的なメカニズムは全く不明だった。本研究のねらいは、原子・分子レベルのミクロな視点から空気分子の挙動を観測することにより、氷結晶における分子拡散のメカニズムを解き明かすことにあった。手法としては、主に分子動力学法を用いた。
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研究分野
  • 固体中の拡散一般
  • 固-気界面一般
関連発表論文 (1) J.R. Petit, J. Jouzel, D. Raynaud, N.I. Barkov, I. Basile, M. Bender, J. Chappellaz, M. Davis, M. Delmotte, V.M. Kotlyakov, M. Legrand, V.Y. Lipenkov, C. Lorius, L. Pepin, C. Ritz, E. Saltzman, M. Stievenard, Nature 399 (1999) 429-436.
(2) T. Ikeda, H. Fukazawa, S. Mae, L. Pepin, P. Duval, B. Champagnon, V.Y. Lipenkov, T. Hondoh, Geophys. Res. Lett. 26 (1999) 91-94.
(3) T. Ikeda-Fukazawa, T. Hondoh, T. Fukumura, H. Fukazawa, S. Mae, J. Geophys. Res. 106 (2001) 17799-17810.
(4) Tomoko Ikeda-Fukazawa, Shinichiro Horikawa, Takeo Hondoh, and Katsuyuki Kawamura: Molecular dynamics studies of molecular diffusion in ice Ih, Journal of Chemical Physics 117, 3886-3896 (2002).
(5) Tomoko Ikeda-Fukazawa and Takeo Hondoh: Behavior of air molecules in polar ice sheets, Memoirs of National Institute of Polar Research 57, 178-186 (2003).
(6) Takeo Hondoh, Hideki Narita, Akira Hori, Tomoko Ikeda-Fukazawa, Michiko Fujii, Hiroshi Ohno, Takayuki Shiraiwa, Shinji Mae, Shuji Fujita, Hiroshi Fukazawa, Taku Fukumura, Hitoshi Shoji, Takao Kameda, Atsushi Miyamoto, Nobuhiko Azuma, Yun Wong, Kunio Kawada, Okitsugu Watanabe, and Hideki Motoyama: Physical Properties of the Dome Fuji Ice Core, Memoirs of National Institute of Polar Research 57, 63-71 (2003).
(7) Tomoko Ikeda-Fukazawa and Katsuyuki Kawamura: Molecular dynamics studies of surface of ice Ih, Journal of Chemical Physics 120, 1395-1401 (2004).
(8) Tomoko Ikeda-Fukazawa, Katsuyuki Kawamura, and Takeo Hondoh: Diffusion of nitrogen gas in ice Ih, Chemical Physics Letters 385, 467-471 (2004).
(9) 深澤倫子:南極の氷とミクロの世界,学術の動向103, 70-71(2004).
(10) Tomoko Ikeda-Fukazawa, Katsuyuki Kawamura, and Takeo Hondoh: Mechanism of molecular diffusion in ice crystals, Molecular Simulation (in press).
(11) Tomoko Ikeda-Fukazawa, Kenji Fukumizu, Kenji Kawamura, Shuji Aoki, Takakiyo Nakazawa, and Takeo Hondoh: Effects of molecular diffusion on paleo-atmospheric reconstruction from polar ice core, Earth and Planetary Science Letters (in press).
(12) 深澤倫子:分子シミュレーションが解き明かす南極氷床中の空気分子のダイナミクス,分子シミュレーション研究会誌「アンサンブル」 28,15-17(2004).
(13) Tomoko Ikeda-Fukazawa and Kenji Fukumizu: Solution of gas molecules in ice crystal. Chemical Physics Letters (submitted).
(14) Tomoko Ikeda-Fukazawa and Gabor A. Somorjai: Why is ice slippery? (in preparation).
(15) 深澤倫子:氷、水、ハイドレートの構造と物性,吉岡書店(「氷表面のダイナミクス」の章を分担執筆)印刷中
研究制度
  • 戦略的創造研究推進事業 さきがけタイプ(旧若手個人研究推進事業を含む)/組織化と機能
研究報告資料
  • 深澤 倫子. 氷内部および界面に存在する気体分子の拡散と組織化. さきがけライブ2004 ナノテクノロジー分野合同研究報告会 「組織化と機能」領域 講演要旨集(研究期間:2001-2004), 2005. p.46 - 51.

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