惑星海洋学

惑星海洋学は、天体海洋学または外海洋学とも呼ばれ、^[1]地球以外の惑星や衛星の海洋を研究する学問です。宇宙生物学、天体化学、惑星地質学などの他の惑星科学とは異なり、土星の衛星タイタン^[2]と木星の衛星エウロパ^[3]の地下海洋が発見されてから始まりました。この分野は、衛星の岩石層または氷層の下の海洋にさらなる探査機が到達するまでは、推測の域を出ません。太陽系の天体の海洋、さらには海洋世界については、海王星のダイヤモンドが浮かぶ液体炭素の海から、木星の地表下に存在する可能性のある液体水素の巨大な海まで、多くの理論があります。^[4]

火星と金星は、地質学上の歴史の初期には、大規模な水の海があったと理論づけられている。火星の海仮説は、火星の表面のほぼ3分の1がかつて水で覆われており、暴走する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があることを示唆している。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る。多くの準惑星や自然衛星の表面の下には未確認の海が存在すると推測されており、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る。太陽系の巨大惑星にも、未確認の組成の液体大気層があると考えられている。太陽系外惑星や系外衛星にも海が存在する可能性があり、その中には恒星周ハビタブルゾーン内の液体の水の表層海も含まれる。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の一種である。^{[5] [6]}

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。地球外の表層液体の唯一確認されている大規模で安定した物体はタイタンの湖であり、これは水ではなく炭化水素でできている。しかし、太陽系の他の場所に地下水の海が存在するという強力な証拠がある。太陽系の地下水の海として最も確立されている候補は、木星の衛星エウロパ、ガニメデ、カリスト、および土星の衛星エンケラドゥスとタイタンである。^[7]

地球は表面に安定した液体の水の塊を持つ唯一の惑星として知られており、太陽系でもそのような惑星は地球だけですが、他の天体にも大きな海があると考えられています。 ^[8] 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。^{[9] [10]}

巨大ガス惑星の内部構造は、まだ十分に解明されていない。科学者たちは、極度の圧力下では水素が超臨界流体として作用するのではないかと考えており、そのため木星のような巨大ガス惑星の内部深部に液体水素の海が存在する可能性がある。^{[11] [12]}液体炭素の海は、海王星や天王星などの巨大氷惑星に存在すると仮説されている。^{[13] [14]}マグマの海は、あらゆる惑星や一部の自然衛星の集積期に、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存在する。^[15]

ガス惑星である木星と土星には表面がなく、代わりに液体水素の層があると考えられているが、惑星の地質はよくわかっていない。氷惑星である 天王星と海王星には、厚い大気の下に高温で高度に圧縮された超臨界状態の水があるという仮説が立てられている。その組成はまだ完全にはわかっていないが、2006年のウィクトロヴィッチとインガーソールの研究では、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る^[18]が、金属液体炭素の海が存在する可能性は考えられる。

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いたことを示唆しているが、火星の水はもはや海洋ではない（その多くは氷床に存在する）。この可能性は、なぜ一見消えたように見えるのかという理由とともに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とおそらく海があったのではないかと提唱している。^[19]

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全層が、天然衛星の タイタン、エウロパ、エンケラドゥス、 ガニメデ、^{[20] [21]}トリトン、^{[22] [23]}や、確実性は低いがカリスト、^{[24] [25]} ミマス、^[26] ミランダ、アリエルにも存在すると考えられている。^[27]イオにはマグマの海が存在すると考えられている。^{[28]土星の衛星エンケラドゥスでは}間欠泉や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）の海から発生したものと考えられる。^[16]他の氷の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。^[29]

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るが、それらは海洋とみなすほど大きくはなく、湖や海と呼ばれることもある。カッシーニ・ホイヘンス宇宙探査ミッションでは、当初は乾燥した湖底と空の河川と思われるものしか発見されず、タイタンがかつて持っていたかもしれない表面の液体を失ってしまったことが示唆された。その後のタイタンへの接近通過では、レーダー画像と赤外線画像が提供され、寒冷な極地に炭化水素の湖が連続して存在することが示された。タイタンには、外殻の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あると考えられている。

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ある可能性がある。^{[30] [31]}

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ないが、放射性崩壊モデルによれば、冥王星^{[32] 、} 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洋があることが示唆されている。 ^{[29] 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た。^{[33] [34]}

太陽系外の惑星や自然衛星の中には、地球に似た水海洋惑星（居住可能領域または「液体水帯」にある可能性あり）を含む、海を持つものもあると思われます。しかし、分光法によっても海を検出することは極めて困難で、決定的な結果は出ないと思われます。

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 となる可能性が高いと予測されている^[35]。

その他の候補惑星は、質量と居住可能領域での位置に基づいて推測されるに過ぎないが、その組成についてはほとんどわかっていない。一部の科学者は、ケプラー22bは「海のような」惑星かもしれないと推測している。^[36]グリーゼ581 dには、表面の海を含む可能性があるモデルが提案されている。グリーゼ436 bには「熱い氷」の海があると推測されている。^{[37]惑星、特に親星の居住可能領域内にあるガス巨星を周回する} 系外衛星は、理論的には表面の海を持つ可能性がある。

地球型惑星は集積の過程で水を獲得し、その一部はマグマの海に埋もれるが、大部分は蒸気の大気に流れ込み、大気が冷えると表面に崩れて海を形成する。また、マグマが固まるとマントルから水が放出される。これは、質量の低い割合の水を含む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」^{[38] 。}

海洋、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、例えばタイタンの炭化水素湖などがある。トリトンの窒素の海の可能性も検討されたが、除外された。^[39]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溶液の海に浮かぶ殻であるという証拠がある。^{[40] [41] [42] [43] [44]}

親星に極めて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になります。^{[45]また、}巨大衝突 の結果として、地球型惑星がその形成中のある時点でマグマの海を持っていた可能性もあります。^{[46]恒星に近い} 高温の海王星は、流体力学的脱出によって大気を失い、表面にさまざまな液体を含む核を残す可能性があります。^[47]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、水などがあります。^[48]

超臨界流体は液体ではないが、さまざまな特性を液体と共有している。天王星と海王星の厚い大気の下では、これらの惑星は水、アンモニア、その他の揮発性物質の高温高密度流体混合物の海で構成されていると予想されている。^[49]木星と土星のガス状の外層は、超臨界 水素の海にスムーズに移行している。^{[50] [51]}金星の大気は96.5 %が二酸化炭素で、表面では超臨界流体である。

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