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3章 惑星における氷の物理と化学, 彗星は，46億年前の太陽系形成初期に形成された氷小天体の残存物であり，太陽による加熱等の影響をほとんど受けていない始原天体である．本稿では，筆者らの最近の研究成果を中心にして，彗星核の均質性，起源，形成環境などについて述べる．特に，多くの破片に分裂したSchwassmann-Wachman 3彗星の観測結果から分裂前の彗星核の均質性について議論すると共に，Machholz彗星の観測結果から得られた分子の原子核スピン温度や重水素/水素比を手がかりとして彗星物質の起源について議論する．, Recently we performed near-infrared high dispersion spectroscopic observations of two bright comets, C/2004 Q2 (Machholz) and a nucleus "B" of 73P/Schwassmann-Wachmann 3(SW3). The former was very bright and it allowed us to obtain very high-S/N ratio spectra. We extracted H2O and CH4 emission lines and determined nuclear spin temperatures of both molecules. The obtained temperatures are higher than the typical value for the Oort Cloud comets (～30K). Furthermore, we report a tentative detection of CH3D in comet Machholz. The D/H ratio in methane was consistent with the temperature range obtained from nuclear spin temperatures. On the other hand, in the case of break-up comet 73P/SW3, we also derived higher nuclear spin temperature than the typical Oort Cloud comets. We also found the similarity in chemical composition between fragments of the same comet. Fragments "B" and "C" of comet SW3 are very similar to each other from the viewpoint of chemistry. This fact indicates that the parent body of SW3 was quite homogeneous in chemical composition of ices.

2章 惑星形成と氷微粒子, 歳をとった (10^7-10^9年) 星のまわりでは，μmサイズの微小粒子 (デブリ) の円盤 (デブリ円盤) が観測されている．このように星をとった星の周りでは，惑星がすでに形成されている可能性は高い．本研究では，デブリ円盤の内縁に注目して，デブリの昇華によりどのような内縁ができるかを調べた．また，内縁の起源の違いにより位置や形状にどのような起源を持つかを分類した．観測の進歩により，太陽系外の惑星系において昇華リングの観測が可能になり，この昇華によるリングの有無が太陽系外の惑星系での惑星の存在を示すことになるだろう．, In a disk with a low optical depth, dust particles radially drift inward by the Poynting-Robertson (P-R) drag rather than are blown out by stellar radiation pressure following destructive collisions. We investigate the radial distribution of icy dust composed of pure ice and refractory materials in dust-debris disks taking into account the P-R drag and ice sublimation. We find that icy dust particles form a dust ring by their pile-ups at the edge of their sublimation zone, where they sublime substantially at the temperature 100-110K. The distance of the dust ring is 20-35AU from the central star with its luminosity L* ≲ 30L◎ and 65 (L*/100L◎) ^1/2 AU for L* ≳ 30L◎, where L◎ is the solar luminosity. The effective optical depth is enhanced by a factor of 2 for L* ≲ 100L◎ and more than 10 for L* ≳ 100L◎. The optical depth of the outer icy dust disk exceeds that of the inner disk filled with refractory particles, the residue of ice sublimation, which are further subjected to the P-R effect. As a result, an inner hole is formed inside the sublimation zone together with a dust ring along the outer edge of the hole.

3章 惑星における氷の物質と化学, 宇宙空間から惑星内部にわたる多様な惑星形成・進化の場には，極低温から高温，また真空から超高圧までの，あらゆる外場条件が存在する．氷はこの多様な条件に対応して，自由な陽子の急速な拡散を始めとする多様な性質を示すことが理論的に予想されているが，その実験的立証はいまだに行われ ていない．このような実験を行うためには，従来の高圧実験技術を活用しつつも，さらに新しい手法をその上に作りあげる必要があった．筆者がそのために開発してきたダイヤモンドアンビルセルNMR の手法と成果を解説し，また将来への展望を述べる．, We provide a novel diamond anvil cell NMR technique which enables high-resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy at very high pressures. Here the technique is briefly explained,along with some good example of its application. We report high resolution NMR spectra and relaxation times of filled-ice II and Ic hydrogen hydrates at high pressures. These were taken in-situ at pressures to 3.6 GPa. Guest H2 in the hydrates gave a narrow resonance indicating their fast transport between cavity sites within various H2O ice structures. The hopping frequency was obtained from their relaxation times, giving a liquid-like diffusion coefficient that was not much sensitive to pressure.

2章 惑星形成と氷微粒子, 惑星形成はダスト (μm以下のサイズの粒子が多数付着しアグリゲイトになっている) 同士が衝突合体成長していくことから始まるが，その詳細は不明な点が多い．本研究では，衝突によるダストアグリゲイトの構造進化過程を明らかにするべく，３次元アグリゲイトの正面衝突の数値シミュレーションを行った．結果として，アグリゲイトは衝突によってあまり圧縮されない (フラクタル次元は～2.5) ことが示され，圧縮過程のスケーリング則および「状態方程式」が得られた．また，氷粒子からなるアグリゲイトは，数十m/sの高速衝突でも成長できること が示された．以上のことから，ダストの衝突合体によって低密度な微惑星が形成されることが示唆される．, We study collisions between dust aggregates to construct a model of their structural evolution in protoplanetary disks. We carry out three-dimensional simulations of aggregate collisions and examine their compression and disruption processes. We take clusters of ballistic cluster-cluster aggregation (BCCA) formed by a hit-and-stick process as initial structures and study their head-on collisions with realistic binding forces. Our numerical results indicate that the energy criteria for compression and disruption of BCCA clusters are consistent with previous twodimensional simulations. For aggregate compression due to collision, we succeed in obtaining a scaling law that the gyration radius of the resultant aggregate is proportional to Eimp-0.10, where Eimp is the impact energy. Furthermore, we derive an “equation of state” of aggregates which reproduces the scaling law for compression. This equation of state is useful to describe the density evolution of dust aggregates during their growth. The aggregates are not compressed well by their mutual collisions and the fractal dimension of the compressed aggregates is at most ～2.5. The aggregates composed of ice particles are possible to grow even if the impact velocities are as high as a few tens of m/s. These numerical results suggest that very fluffy planetesimals can be formed in protoplanetary disks by direct collisional growth of dust.

1章 分子雲における氷と低温化学過程, 炭素質コンドライトや彗星中に種々の複雑有機物が検出されていることから，地球外有機物が生命の誕生に重要な役割を果たした可能性が議論されている．隕石・彗星中有機物の起源としては，分子雲中の星間塵アイスマントル中で宇宙線・紫外線エネルギーにより生成したとするモデルが提案されて いる．われわれは模擬星間物質に重粒子線を照射することにより高分子状の複雑有機物に結合したアミノ酸前駆体が生成することを見いだした．このような高分子状結合型アミノ酸は遊離アミノ酸と比較して宇宙環境で安定であること，円偏光照射によりアミノ酸エナンチオ過剰を生じうることなどが わかった．これらの知見をもとに生命の起源にいたる新たな化学進化シナリオを提案する．, Complex organic compounds were detected in carbonaceous chondrites and comets, and their relevance to origins of life has been discussed. It was suggested that these extraterrestrial organics were originally formed in ice mantles of interstellar dusts (ISDs) in molecular clouds. It was reported that amino acid precursors were formed from ice mixtures simulating ISD ice mantles by irradiation with UV or high-energy particles, but the nature of the precursors before hydrolysis were unknown. We irradiated a frozen mixture of possible interstellar molecules (methanol, ammonia and water) with high-energy heavy ions. The products were complex precursors of amino acids with large molecular weights. Such “complex amino acid precursors” were much more stable than free amino acids against irradiation with γ-rays or heavy ions. Irradiation of simulated interstellar complex organics with circular polarized light gave an enantiomeric excess of amino acid. These results suggested that formation of complex organics-bound amino acids and seeds of homochirality of amino acids were originally formed in interstellar cold environments. We propose a novel scenario of chemical evolution from interstellar organics to the first life on the Earth.

1章 分子雲における氷と低温化学過程, 宇宙空間に存在する，高密度のガスと星間塵（サブミクロンサイズの氷微粒子）で形成された分子雲と呼ばれる低温領域は，星・惑星形成の場としてだけでなく，分子を生成する化学進化の場としても非常に重要である．近年，分子雲内での分子形成過程を解明する上で，星間塵表面上での化学反応の重要性が認識されてきた．しかし，低温表面反応は気相反応に比べ研究例も少なく，未だに良くわかっていないことが多い．本稿では，星間塵表面反応が生成に関与したと考えられているH2，CO2，H2O，および始原的有機分子H2CO，CH3OH について，その生成過程（反応経路や反応速度）に対する理解の現状を実験研究の側面からレビューする．, The large variety of molecules has been detected in the molecular clouds by the astronomical observations. Although it is commonly understood that most of molecules observed formed by the gas-phase reaction, the grain-surface reaction is involved in the formation of several important molecules that are H2, CO2, H2O, H2CO, and CH3OH. In this paper, we review the current knowledge of the formation processes of those molecules obtained by recent experimental results and finally we introduce our recent results of the isotope effects and the dependence of the surface structure in CO hydrogenation reaction on sold water surface at low temperatures.

1章 分子雲における氷と低温化学過程, 星間分子雲および隕石母天体で起こりうる新しいダイヤモンド形成過程を実験的に見いだした．星間分子雲では，不純物を含むアモルファス氷に紫外線が照射されることでダイヤモンド前駆体を含む有機物が形成された．さらに，それに紫外線が照射されるとダイヤモンドは5nm 程度に成長した．これ らの過程は宇宙では普通に起こっている現象なので，ダイヤモンドは宇宙のどこにでもあると言える．また，星間分子雲で形成された有機物が隕石母天体上で水と反応し，その後さらにドライな雰囲気で加熱される過程も実験的に再現した．得られた試料中にはかなりの量のダイヤモンドが含まれていた．隕石中に存在する性質の異なるナノダイヤモンドは，星間分子雲および隕石母天体上の双方で形成されたと考えられる．, We have identified new formation routes of diamond in interstellar clouds and parent bodies of primitive meteorites. It was shown that diamond precursor nucleated as a result of UV photolysis of interstellar ice mixtures in molecular clouds, and grew with further UV irradiation in diffuse clouds. This suggests that diamond is ubiquitous in space. We also performed experiments on the process of aqueous alteration and subsequent heating of interstellar organic materials in meteoritic parent bodies. The resulting sample shows strong evidence of diamond formation. The various characteristics of nanodiamonds in meteorites are well explained by the formation in interstellar clouds and parent bodies of meteorites.

2章 惑星形成と氷微粒子, リング・衛星系は巨大惑星形成過程の自然な副産物であると考えられる．本稿では，土星リングを構成する氷粒子の物性がリングの力学進化や構造形成に及ぼす影響について述べる．氷粒子の反発係数はリングの力学進化を考える上で重要な物理量であり，室内実験結果が理論研究に使われてきた．粒子表面の摩擦は粒子自転を引き起こし，土星リングからの熱輻射の観測結果を解釈する上で重要となる．また粒子間の非重力的吸着力がリングの進化や構造形成に及ぼす影響，隕石衝突によるリング組成進化に関する研究等も行なわれているが，これらについては今後さらに詳しく調べる必要がある．, All the four giant planets in our Solar System have rings, thus ring-satellite systems seem to be a natural byproduct of giant planet formation process. Therefore, studies on the origin and evolution of ring-satellite systems would constrain the formation processes of giant planets. Saturn's rings are mainly composed of water ice, and particles in the main rings have sizes between centimeters to several meters. We first describe effects of normal and tangential coefficients of restitution of icy ring particles on dynamical evolution of planetary rings. Restitution coefficients for icy particles for low-velocity impacts relevant to Saturn's rings have been measured by laboratory impact experiments. Restitution coefficients influence random velocity evolution of ring particles, their rotational states, and accretional evolution. We will also discuss possible effects of adhesive forces between ring particles on accretional evolution and structure formation in rings, although it is not clear at present whether nongravitational cohesive forces would play a major role in the dynamics of planetary rings. Finally, we will discuss effects of meteoroid impacts on the creation and evolution of planetary rings. Dilute dust rings including the Jovian rings are created by meteoroid impacts on small satellites. Such impacts would also cause compositional evolution of Saturn's rings. Further theoretical as well as observational studies of compositional evolution of Saturn's rings would provide a unique constraint on the origin and evolution of the rings.

3章 惑星における氷の物理と化学, 氷天体の外殻氷層や氷マントルで起こる対流運動は，その熱的進化，内部海の存在，内部ダイナミクス，表面テクトニクスなどに大きな影響を与え，天体の運命を握っているとも言える重要なプロセスである．本稿では，対流運動に密接に関連した物質科学に着目し，氷の粘性流動と高圧相転移を取り 上げて概説する．特に，低応力下で卓越する結晶粒径に依存した流動則を確立するとともに，氷天体内部の結晶粒径をコントロールするカイネティクスを明らかにすることが必要不可欠であり，それらに関する予備的な実験結果を報告する．, Convection in icy outer shell and icy mantle has great influences on thermal evolution, internal dynamics, and survival of internal ocean in icy bodies. Plastic deformation and high-pressure transformations of water ice are important processes affecting the convective current in the interiors of icy bodies. It is indispensable to examine the grain-size sensitive flow law dominant at low stress conditions and kinetic processes controlling the grain-size evolution such as grain growth, dynamic recrystallization, and high-pressure transformation. Results of preliminary experiments on these properties are presented in this article.

3章 惑星における氷の物理と化学, 太陽系のはるか彼方を回るカイパーベルト天体の氷は，何故かみな結晶質である．その環境下では紫外線・高エネルギー粒子の照射により，氷は短時間で非晶質化するはずである．結晶質であり続けるためには，絶えず表面が新しくなる必要があり，氷火山の可能性も指摘されている．果たして本当に 火性活動が必要なのか，氷の実験データから検証を試みる．, Many tran-Neptunian objects (TNOs) are covered with crystalline water-ice. However, they must quickly be changed to the amorphous phase by the high-energy particles and ultra-violet irradiation. Thus the existence of the crystalline water-ice means that the surface of the TNO is fresh and has been refreshed by some reason, which may include cryo-volcanisms. I will review the surface renewal process by using laboratory date of ice irradiation by ultra-violet photons and the high-energy particles.

1章 分子雲における氷と低温化学過程, 星間分子の生成において重要な気相低温イオン―分子反応に関する実験的研究の現状と課題について概観する．また，最近著者らのグループが開発した高周波八重極線形イオントラップからなる気相低温イオン―分子反応測定装置を紹介し，その応用として行ったNH3+ + H2 → NH4+ + H反応の反応速度定数の測定結果について述べ，過去の実験値・理論値と比較し議論する．, The gas-phase ion-molecule reaction of NH3+ + H2 → NH4+ + H, which plays an important role in the gas-phase production-process of NH3 in interstellar clouds, was measured at low temperatures using a newly developed cryogenic linear rf octupole ion trap. The detailed experimental method and the measurement procedure are described. The temperature dependence of the reaction rate coefficients k is compared with previous experimental and theoretical results. The discussion for the difference between these results is also presented.

3章 惑星における氷の物質と化学, 氷を構成する水分子の動きは低温で緩慢になる．この為，冷たい宇宙の氷の結晶構造について考える際に，温度と圧力に加えて，時間を考慮する必要がある．現在急速に発展している中性子ビーム技術を利用することで，この点を明らかにし，宇宙氷の構造の全容を理解したい．本稿では，計画中の低温高圧下における氷の構造相転移の研究を解説しながら，宇宙に存在する氷の素性について考察する．宇宙には，通常目にする氷とは異なる水素の配置が揃った秩序化した氷が広く存在すると考えている．, The complex behavior of water and the unusual properties of proton ordering in ferroelectric ice crystal continue to attract much interest. Whether ice in the space exists as proton-ordered ices, is an important question. Some ordered ices have ferroelectricity, and long range electrostatic forces caused by the ferroelectricity might be an important factor for planet formation. From neutron diffraction experiments, we found the temperature conditions for the transformation of the largest fraction of ice into ferroelectric ice using the lowest level of impurity dopant. It suggests that myriad big icy-bodies, which exist as dwarf planets and Kuiper Belt Object, consist of thick ferroelectric-ice surface.

3章 惑星における氷の物理と化学, 氷衛星上の衝突クレーターや外惑星領域における惑星・衛星の衝突集積過程に関連して，氷を用いた高速度衝突実験が行われている．氷の衝突実験は融けやすい氷の取り扱いに問題が生じ精度の高い実験をすることが難しかったが，衝突実験装置自体を大型の低温室に設置することによりその問題が解 決され，研究が飛躍的に進歩した．特に氷中を伝播する衝撃波や破壊素過程の理解が進み，さらに弾丸にも氷を用いた高速度衝突実験が衝突速度700m/sまで可能となった．その結果，氷クレーターの形態変化やスケール則及び氷の衝突破壊強度が明らかになった．, Impact experiments on water ice have been conducted to study impact crater formation on icy satellites and collisional accretion process of icy bodies. It was difficult to use water ice for collisional experiments in a laboratory because it was easy to melt at room temperature. In order to overcome this difficulty, an impact facility was set in a large cold room below 0℃, and this method is successful to advance the impact study on water ice. Elementary physical processes related to impact disruption were especially studied to achieve a good progress. Furthermore, it was enabled that an ice projectile was accelerated at the impact velocity higher than 700m/s. As a result, the impact strength of water ice was obtained to be one order of magnitude smaller than that of basalt, and a systematic change of crater morphologies with the impact velocity and the scaling law on the impact crater was extensively studied.

2章 惑星形成と氷微粒子, 惑星形成論において，サブミクロンサイズのダストから微惑星形成までの過程は最も不定性の大きい部分である．我々のグループでは，成長したダストを微粒子の集合体として扱い，ダスト成長時の内部構造進化を考慮した次世代ダストモデルの構築を進めている．本稿では，惑星形成論の現状を説明した上で，我々のグループの最新の成果であるダスト衝突の数値計算とそれにより得られたダスト構造進化モデルの内容を紹介する．我々の次世代ダストモデルは，惑星形成論における微惑星形成過程の解明以外でも天文観測の解析など多方面において有用なものとなるであろう．, In the planetary formation theory, formation process of planetesimals from dust grains is one of the most uncertain parts. We are trying to construct a new dust model in which we take into account internal structure of dust aggregates composed of a number of sub-micron sized grains. In the present paper, we briefly describe the planetary formation theory and its problems and show our recent results on numerical simulation of dust aggregate collisions and our new dust model derived from the numerical simulations. Our new dust model would be applicable to many fields of planetary sciences and astronomy.

3章 惑星における氷の物質と化学, 太陽系の外惑星領域にある衛星は，そのほとんどがH2O主体の氷で覆われた"氷衛星"である．これらは数の多さや多様なサイズを持つが，最も注目すべき点は大規模な地質活動の跡が見られることである．地球の月とは異なるその外見は，氷衛星を覆う氷の存在とその特徴的な物性が作り出している と思われる．本稿では代表例として木星の衛星エウロパに見られる地溝帯と土星の衛星エンセラダスで発見された氷噴出現象に着目し，これらの現象の原因を探る．そこには，液体水が固化する際に体積が増加するという氷特有の物性が大きく関わっている可能性がある．, Most eminent feature of tectonic activity on the icy satellites is extensional signatures, which have been formed by tensional stress. The example is narrow ridges and bandshaped terrain on Europa, and parallel, periodically spaced fractures called by Tiger Stripes on Enceladus. These features suggest a possibility that the surface have been fractured and extended due to tensional stress. We have focused on the solidification of the liquid water and the accompanying volume change as one of the dominant sources for such stresses. To estimate the stress state in the solid ice region surrounding the water region, we first performed numerical simulations of the thermal history. Based on the resulting structural evolution, we calculated stresses in the viscoelastic ice region due to the solidification of the liquid water. Europa's liquid layer solidifies slowly and may partially survive at present, and its solidification induces sufficient tensional stress to drive extensional tectonic activity. Moreover, we investigated the possibility that solidification of subsurface water reservoir in Enceladus can attain enough excess pressure to explain the geysering. If the viscosity of the surrounding ice is viscous enough to inhibit relaxation, as high as 10^20-21Pas, sufficient excess pressure can be accumulated and the crack will be created to drive the internal water to the surface.

1章 10年～100年スケールの気候変動の観測, 気候復元とモニタリング, シベリア高気圧の季節内長周期変動及び年々変動の力学を明らかにする。シベリア高気圧の季節内変動の増幅過程には、ブロッキング高気圧の形成が対流圏上層に見られ、それらは2つの典型的なタイプに類別される。両タイプとも、シベリア高気圧の増幅には、対流圏上層のブロッキングを伴う循環偏差と、シベリア高気圧に伴う地表付近の循環偏差との相互作用が重要であることが渦位反転法によって示される。年々変動に関しても、対流圏上層にはやはり2つの典型的な循環変動のパターンが観測されること、さらにそれらの循環変動が惑星波活動の変調として解釈できることが示される。, The Siberian high is a cold, semi-permanent surface anticyclone residing over the Asian continent in winter. The high is known as one of the crucial factors for wintertime climate over the Fat East and Northwestern Pacific, as it influences the strength of the East Asian winter monsoon. Intraseasonal amplification events of the surface Siberian high in winter are generally associated with blocking ridge formation in the upper troposphere. Composite analysis applied to the 20 strongest intraseasonal events over Siberia on the basis of the circulation data observed over the 40 recent years reveals that the blocking formation differs fundamentally between the east and west of the climatological upper-level trough over the Far East. To the west, what may be called "wave-train (Atlantic-origin) type" is common, white what may be called "Pacific-origin type" dominates to the east of the trough. Regardless of a particular type of blocking formation in the upper troposphere, a cold-air outbreak tends to occur once anomalously cold air reaches the northeastern slope of the Tibetan Plateau. We have shown through "potential vorticity (PV) inversion" technique that an interaction of the upper-level height anomalies with surface temperature anomalies is essential for amplification of the Siberian high of the both types. Interannual variability of the East Asian winter monsoon has also been examined. Two distinct height anomaly patterns in the upper troposphere associated with the interannual variability are found; that is, wavetrain pattern and WP-like patterns. Both types can be interpreted as modulations of activities of planetary waves. The difference of the planetary wave formation from early winter to midwinter is apparent between cold and warm winter in the mid-latitude East Asia.

3章 環オホーツク圏のモデリング, 環オホーツク圏は特徴的な地理的配置のため特有の気候を形成している．この環オホーツク圏の気候形成・変動の再現とメカニズム解明そして予測，および環オホーツク圏の３次元的な栄養物質循環と生態系の相互作用の解明とその変動の予測を目指し，環オホーツク圏領域気候モデルを構築する計画が，北海道大学低温科学研究所環オホーツク観測研究センターで進んでいる．ここでは計画と予備的結果を紹介する．, The pan-Okhotsk region has a characteristic climate that is changing rapidly due to global warming. The pan-Okhotsk Regional Climate Model is being constructed at the Pan-Okhotsk Research Center within the Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, to gain a better understanding and improved prediction of the formation process and change in: (1) the climate in the Pan-Okhotsk region, and (2) three-dimensional circulations of nutrients and their interaction with the ecosystem in the region. This article describes the model and presents preliminary results.

1章 10年～100年スケールの気候変動の観測, 気候復元とモニタリング, オホーツク海の北西陸棚域は海氷生産量が非常に大きく、北太平洋表層では一番重い水が作られる。この低温の高密度陸棚氷は北太平洋の中層に潜り込み、北太平洋スケールでのオーバーターン(大きな鉛直循環)の源となっている。この50年で、オホーツク海を起源に北太平洋北西部の中層水が昇温化し、オーバーターンが弱化していることが示唆された。この原因は、オホーツク海風上の大陸部(北半球の寒極)の温暖化により海氷生産量が減少し、高密度陸棚水の生産量が減少したことによると推測する。オーバーターンの弱化は物質循環・生物生産にも多大な影響を及ぼす可能性がある。, High sea ice production over the northwestern shelf in the Sea of Okhotsk leads to the formation of the densest water at the surface in the North Pacific. This cold dense shelf water is ventilated into the intermediate layer, inducing overturning at the scale of the North Pacific. During the past 50 years, warming and weakening of the overturning has occurred for the the intermediate water centered on the 27.0σ_θ isopycnal in the northwestern North Pacific, originating from the Sea of Okhotsk. We propose that these trends are caused by a decrease in dense shelf water production in the northwestern shelf of the Sea of Okhotsk, which is an area that is sensitive to current global warming. The weakening of overturning has a possibility of substantial impacts on the material cycle and biological productivity in the North Pacific.

2章 千年～10万年スケールの気候復元とモデリング, 海底堆積物には過去の地球の様々な変動が記録されている．現在の地球環境については直接観測することによって把握することができるが，長い時間スケールの環境変動を把握するためには，堆積物コアなどの記録の環境プロクシーを駆使して研究する必要がある．過去の海氷の変動は漂流岩屑のような海氷プロクシーを使って復元することができる．オホーツク海において衛星観測およびセディメントトラップ観測によって，海氷を起源とする漂流岩屑の堆積プロセスを明らかにした．漂流岩屑は春 に海氷が融解するとき，砂以上のサイズの粒子群として沈積する．オホーツク海底から得られた３本の堆積物コアの解析から過去10万年間の海氷の変動が明らかになった．海氷は２万～４万年周期の氷期に増加し，さらに数千年規模で拡大縮小を繰り返す．オホーツク海氷拡大イベントは地球規模の寒冷イベントに同調し，北極域の大気循環の強化がその要因である．, Ice-rafted debris (IRD) from sediment traps, surfical sediments, and sediment cores were investigated to reconstruct the extent of sea-ice cover in the Okhotsk Sea over the past 100 kyr. Seasonal IRD buried within the sediments during and after the melting of sea-ice in the spring consists of silt-and sand-sized terrigenous particles. The spatial distribution of IRD within surficial sediments clearly corresponds to the average state of extent of sea-ice coverage. Sea ice expanded to a maximum extent during glacial periods,although the cover of sea ice was not perennial. Okhotsk Sea Sea-ice Expansion (OSIE) events, which are recognized as abrupt millennialscale peaks in IRD content, have occurred 13 times during the past 100 kyrs. These events were amplified in magnitude during glacial periods. The significant modification of polar atmospheric circulation in the northern hemisphere is a key process in explaining these OSIE events.

1章 10年～100年スケールの気候変動の観測, 気候復元とモニタリング, オホーツク海の海氷と上層水温の十年変動についての時空間構造と、その大気との関係について解析を行った。冬季の海氷の十年変動はオホーツク海北部で大きい振幅を持ち、1980年代の初めから1990年代中頃までは減少傾向、それ以降は海氷増加の傾向を示す。この海氷変動は秋季の大気変動に強く影響されている。一方、オホーツク海南部の夏期(5-10月)の上層水温の十年変動はクリル海盆付近で大きい振幅を持ち、概ね十年毎に温暖のピークを持つ準十年変動を示す。この上層水温の十年変動はその前の冬季の大気変動に強く影響されている。, We investigate decadal-scale variations in the wintertime (February-March) sea-ice concentration and warm-season (May-October) water temperature in the upper 200m of the Okhotsk Sea, as well as their relation to atmospheric circulation. Large decadal-scale variation in wintertime sea-ice occurs in the northern Okhotsk Sea; this variability showed a decreasing trend from 1980 to the mid-1990s and an increasing trend from the mid-1990s to the early 2000s. This sea-ice variation is thermodynamically influenced by the atmospheric conditions during the late autumn (October-November). The atmospheric conditions in late autumn for the positive sea-ice anomalies exhibit cold air-temperature anomalies over the Okhotsk Sea from Siberia. These atmospheric conditions in late autumn are related to 700-hPa geopotential height differences between the Bering Sea and northern Eurasia. The dominant upper-ocean temperature fluctuations in the southern Okhotsk Sea have a monopole structure with the maximum amplitude in the Kuril Basin; corresponding time series exhibit prominent quasi-decadai variability over the period 1958-94. This variability is closely related to wintertime differences in sea-level pressure between northern Eurasia and the northern North Pacific.

2章 千年～10万年スケールの気候復元とモデリング, 花粉分析による過去の植生復元と気候復元について近年の動向を概観した．花粉組成と植生との関係を定量的に理解するためには，花粉生産量，花粉の飛散距離，植生分布，堆積盆の大きさを考慮したPrentice（1985）やSugita（1993，1994）のモデルを解説した．地球的規模で花粉分析データから過去のバイオームを復元しようとする取り組みであるBiome 6000について，その原理や方法を解説した．また，花粉分析データによる気候復元について，Nakagawa et al.（2002）の手法を紹介した．, This paper reviews recent progress in the use of pollen data in reconstructing past vegetation and climate. The models developed by Prentice and Sugita, which can define the spatial scale of vegetation represented by the fossil pollen, can be applied to studies of forest dynamics. Also, the biomization method is used to reconstrucst biomes from pollen data using a biome model. Finally, pollen-based climate reconstruction method using modern analogues for the relationship between climate data and pollen data obtained from surface samples are reviewed.

3章 環オホーツク圏のモデリング, Key characteristics of sea ice such as growth, decay, movement, and deformation interact in a complex way to influence polar climate. Accordingly, thermodynamic and dynamic models have been developed separately. Sea ice has been modeled as a continum medium, as well as the atmosphere and ocean have, because of the ease of treatment given this assumption; however, in some experiments sea ice is regarded as a collection of ice floes and thereby modeled using Lagrangian methods and a number of particles. Here, we introduce an outline of sea-ice modeling and consider an application of such modeling to the Sea of Okhotsk, which has a seasonal sea ice extent and is the most familiar ocean in terms of this type of research., 海氷は，極域の気候に大きな影響を与える重要な物質で，生成，消滅，移動，変形といったさまざまな側面が複雑に関連しあいながら存在している．Hibler（1979）以前の海氷の数値モデルにおいては，海氷は主に力学的側面と熱力学的側面に大別されて独立に発展してきた．また，海盆規模の海氷の漂流は海洋と同様に連続流体としてモデル化されてきたが，近年個々の氷群や氷板の振る舞いを重視したLagrangian的なモデルが注目されている．本稿では，海氷の数値モデルにおいてもっとも基礎的な力学モデルと熱力学モデルについて解説し，多数の粒子を用いて海氷をLagrangian的に表すSPHモデルについて記述する．

1章 10年～100年スケールの気候変動の観測, 気候復元とモニタリング, 冬季の北半球で卓越する変動パターンである北極振動について、その構造、成層圏との関係、成因、季節変化及び日本の気候との関係をレビューする。北極振動は北極域と中緯度域の気圧のシーソー変動であり、高緯度西風ジェットの変動である。平均風と擾乱の相互作用により卓越する。冬季は成層圏まで延びておりほぼ順圧的構造をしている。北極振動の位相が正、即ち、北極域の気圧偏差が負のときには、日本、特に北日本で暖冬になりやすい傾向にある。夏の北極振動は北にシフトした構造をもち、正の位相のときオホーツク海高気圧が発達しやすい。, We reviw the Arctic Oscillation, which is the dominant mode of variability in atmospheric circulation in the Northern Hemisphere, along with its structure, relation to the stratosphere, origin, seasonal variation, and relation to climate in Japan. The Arctic Oscillation is an oscillation in sea-level pressure between the Arctic and the mid-latitudes: it is associated with variation in the high-latitude jet. In winter, the Arctic Oscillation extends well into the stratosphere and its structure is quasi-barotropic. In a positive phase of the Arctic Oscillation, Japan, and, northern Japan in particular, tends to experience warm winter. In summer, a positive phase of the Arctic Oscillation is associated with the enhanced Okhotsk high.

3章 環オホーツク圏のモデリング, オホーツク海から北太平洋西部亜寒帯にかけての海洋循環の特徴は，偏西風によって駆動される風成循環と，海氷の形成や潮汐混合に伴う熱塩循環（浮力が駆動する循環）が結合することによって，表層から中層にかけての複雑な３次元循環場を形成していることである．本稿では，海洋モデルを用いた研究を中心に，このようなオホーツク海から北太平洋にかけての海洋循環とその形成メカニズムの研究をレビューする．, One of characteristics of the ocean circulation system in the Sea of Okhotsk and subarctic North Pacific is the co-existence of wind-driven circulation and thermohaline circulation, exhibiting complicated three-dimensional structures in which the surface-and intermediate-layer motions are coupled via various processes. In this article, we review modeling studies of processes that drive the three-dimensional overturning circulation that spans the surface and intermediate layers.

1章 10年～100年スケールの気候変動の観測, 気候復元とモニタリング, 近年、分析技術の発達により、樹木年輪に含まれるセルロースの酸素同位体比を古気候復元に利用する取り組みが進められている。酸素同位体比は、年輪幅や年輪の炭素同位体比と異なり、樹木自身の生理生態学因子の影響をほとんど受けず、もっぱら降水の酸素同位体比と相対湿度のみに依存して変化するため、日本のように降水量が多く森林内の樹木密度が高い地域においても、過去の水循環変動の復元等に利用できる。また、年層内の酸素同位体比の季節変動を詳細に測定することで、樹木から過去の月単位の古気候情報を取得することも可能になりつつある。, The recent development of improved analytical methods means that oxygen isotopic ratios of tree-ring cellulose is now a new powerful tool in reconstructing past changes in climate. The oxygen isotopic ratio of tree rings is not affected by physio-ecological factors: it reflects only the precipitation isotopic ratio and relative humidity. Consequently, it is applicable in the reconstruction of the past water cycle, even in regions such as Japan where competition for light among densely populated trees makes it difficult to utilize tree-ring width or carbon isotopic ratios for climatic analyses. Moreover, recent progress in the analysis of the intra-ring oxygen isotopic ratio will soon enable the extraction of information regarding past seasonal changes in climate.

1章 10年～100年スケールの気候変動の観測, 気候復元とモニタリング, 北部北太平洋の両岸にそびえる高山には寒冷氷河が発達し、過去数百年から千年程度の古気候・古環境情報が冷凍保存されている。カムチャッカ半島のウシュコフスキー山、アメリカ合衆国アラスカ州のランゲル山、カナダ・ユーコン準州のローガン山の3地点で全長200m を越す雪氷コアを掘削し、その物理特性を明らかにし、これらの3本のコアが有力な気候代替記録を有している可能性を示した。特にウシュコフスキー山のコアからは、過去 170年間の気温と降水量に関する気候代替記録を得た。また、既存のローガン山の気候代替記録とウシュコフスキー山の記録を比較したところ、両者には負の相関が認められ、北太平洋十年振動(PDO)との関連が示唆された。, Three indepewndent ice cores were recently drilled at Ushkovsky Volcano in Kamchatka, Russia, Mount Wrangell in Alaska, and Mount Logan King Col in Canada. Detailed analyses of the temperature and density profiles of the three cores suggest that the three sampled glaciers are cold glaciers and therefore store reliable paleo-climate information that spans the past several hundreds to a thousand years. A negative relation was found for the net accumulation time-series reconstructed for the past 170 years from the ice cores recoverd from Ushkovsky Volcano and Mount Logan. As the oscillations in the net accumulation rate and the average annual δ^18O reconstructed from the Ushkovsky ice core appear to be closely correlated with the so-called Pacific Decadal Oscillation (PDO) Index, it was suggested that the mass balances of the glaciers on both sides of the northern North Pacific were affected not only by a global warming trend since the Little Ice Age but also by inter-decadal climate variability that had occured dominantly over the North Pacific.

2章 千年～10万年スケールの気候復元とモデリング, オホーツク海南西部の海底堆積物に記録された過去12万年にわたる表層水温の変動を，北太平洋の高緯度海域では世界で初めて20-40年という高い時間分解能で復元する事に成功した．結果は，数十年程度の周期で水温にして4-5度という振幅の変動を示し，ダンスガードオシュガーサイクル（数十年-100年程度の周期で繰り返す温暖・寒冷サイクル）に連動し，氷期にしては暖かい時代が繰り返し生じていたことがわかった．このように，高緯度縁辺海は深刻な環境変動を記録しており，今後ますますその実態解明の研究に取り組む必要がある．, To better understand the way in which changes in the surface environmental in the Okhotsk Sea influence climate change in East Asia,we estimated sea surface temperatures in the southwestern Okhotsk Sea for the past 120 kyr at millennial to centennial temporal resolution using a long-chain unsaturated alkyl ketone (alkenone) thermometer. The alkenone temperature, which corresponds to the SST to 20 m depth in autumn, showed repeated abrupt changes at a centennial timescale, especially during the last glacial period at 20-60 kyr before present (BP). The alkenone temperature changed in tan dem with changes from interstadials (warm events) to stadials (cold events) recorded in the δ^{18}O record of ice cores recovered from Greenland. Anomalously high alkenone temperatures occurred repeatedly during the glacial period. These warm alkenone-temperature episodes probably had multiple causes: (1) the main season of alkenone production may have shifted from autumn to midsummer over the course of the glacial period because of the expansion of sea-ice coverage to nearly all seasons except midsummer; (2) related to the expansion of the sea-ice season, the sea-ice melting season may have shifted from spring to summer and sea-ice melting during summer might have led to stratification of the surface water, resulting in a high SST; and (3) an active Asian summer monsoon may have contributed to warming the surface waters of the southwestern Okhotsk Sea. In combination, these effects could have generated anomalously high alkenone temperatures in the southwestern Okhotsk Sea during the examined glacial period.

1章 10年～100年スケールの気候変動の観測, 気候復元とモニタリング, オホーツク海は大河が注ぐ中緯度の浅海で、その西方と北方をアジア大陸が囲むという地理学的特徴を有する。これを反映し、夏季には加熱される大陸との間に顕著な地表傾度が形成され、冬季にはその気温傾度は反転し、最南に位置する大規模海氷域となる。これら特徴的な地表の熱的状況とその変動が、半球規模の大気循環変動と如何に関連するかという観点から、冬季海氷域の経年変動が大規模な大気循環変動に及ぼし得る影響、並びに夏季の冷涼なオホーツク海高気圧の形成について、データの力学診断と数値モデリングに基づき解説する。, The Sea of Okhotsk is a shallow mid-latitude marginal sea bordered by the Asian Continent to its west and north. A strong thermal contrast forms in summer between the cool sea surface and the heated landmass, while the thermal gradient is reversed in winter. Under the influence of the continuous spill of extremely cold air form the continent and fresh water supplied by the Amur River, the Okhotsk region becomes the southernmost ice-covered maritime region in the Northern Hemisphere. With regard to how these seasonal characteristics of the surface thermal condition and their interannual variability in and around the Okhotsk region can be related to the variability in hemispheric-scale atmospheric circulation, we discuss the possible in fluence of the anomalous sea-ice extent on large-scale atmospheric circulation and the formation of the summertime cool surface Okhotsk High, based on data analysis and numerical experiments.

2章 千年～10万年スケールの気候復元とモデリング, 巨大氷床およびCO_2濃度低下で特徴づけられる最終氷期極大期について大循環モデルを用いて東アジア・北太平洋域の大気場を調べた。大気海洋結合モデルの結果は、東アジアの乾燥傾向や上層の西風ジェットの南下傾向など、地質データとも整合的であることを確認した。複数のモデル結果を比較すると、北太平洋域の循環は多くのモデル間で定性的に似た傾向が見られた。感度実験では、北太平洋の循環には北米氷床のアルベド効果が大きく影響していることが確かめられた。, General circulation models have been used to simulate the atmosphere at the last glacial maximum, the age of large-scale ice-sheets, and reduced CO_2 content. In the present study, we focus on atmospheric circulation over East Asia and the North Pacific. The coupled atmosphere-ocean model reproduces a number of characteristics that are consistent with geological records, including the dry signal over East Asia and the southward shift of the upperlevel westerly jet. A number of different models produced consistent changes in circulation over the North Pacific. Sensitivity experiments reveal that the albedo effect of the ice sheet over North America has a significant influence on atmospheric circulation over the North Pacific.

2章 千年～10万年スケールの気候復元とモデリング, 全球大気海洋結合大循環モデル(AOGCM)は温暖化予測から古気候研究まで幅広い目的で用いられている。最近のAOGCM でも、現在の大気・海洋状態の主な特徴を再現するものの、観測と比べると基本場にバイアスが存在する。本稿では、気候モデルの現在気候再現性能を概観した後、21世紀末の温暖化予測および完新世中期(6,000年前)の古気候予測実験の実例を紹介する。完新世中期では地球軌道要素の強制により、北半球では夏冬間の季節変化の増幅、夏季モンスーンの強化などの顕著な応答が見られる。モデル基本場の違いによる差についても議論した。, Coupled atmosphere-ocean general circulation models (AOGCMs) can be used for future climate projections and paleoclimate simulations. AOGCMs that are currently used for climate simulations reproduce the major characteristic features of the present atmosphere and ocean climate; however, they tend to show a diffuse thermocline and a weaker salinity contrast between the ocean basins. We present selected AOGCM results of future climate projections for the end of the 21st century. We also show an example of paleoclimate simulations for the Mid-Holocene (6,000 years before the present). The results reveal robust features such as an enhanced winter-to-summer seasonal change and enhanced monsoons, responding to the prescribed orbital forcing.

1章 10年～100年スケールの気候変動の観測, 気候復元とモニタリング, 樹木年輪による気候復元は、高い時間分解能と適用範囲の広域性を特徴とする。樹木年輪気候学は、これまで多くの課題を克服しながら、現在も年輪データ時系列を過去に伸ばすことや解析対象地域を広げることをあわせて、気候に敏感に応答する年輪指標の解析が進められ、成果をあげている。本報告では、樹木年輪気候学が持ち合わせる長所と短所について整理するとともに、特に環オホーツク地域の樹木年輪気候学についての課題を提示し、同地域の古気候復元の可能性について述べる。, Tree rings possess high potential to reconstruct past climate in both temporal and spatial scale compared to any other climate proxies. During the past 100 years, developments in dendroclimatology enhanced our understanding in past climate in many parts of the world. Dendroclimatology has been applied to various tree species growing in different site conditions. Ring width, density, wood anatomical features and isotopes derived from tree rings are now used as climate proxies. In this report, the current state of dendroclimatology and the strengths and weaknesses are explained. The potential of dendroclimatological research within the pan-Okhotsk region is discussed.

3章 クラスレートハイドレート研究のフロンティア, クラスレート水和物の物性研究は，この10年間で長足の進歩を遂げている．その理由は，様々な実験 的手法がクラスレート水和物の測定に応用できるようになって来たこと，コンピュータの進歩により 大規模かつ高精度なシミュレーションが可能になってきたこと，そしてそれらを融合してクラスレー ト水和物という複雑な物質の性質を解明しようと努力してきた研究者の熱意があったからである．本 稿では，こうした研究の発展経緯を，一つの研究集会で発表されてきた研究課題をレビューすること で解説する．, Physical property studies on clathrate hydrates have remarkably advanced in the last decade. This has been supported by researchers seeking to reveal the physical properties of the complex material, clathrate hydrates. Application of various experimental techniques to the measurement of clathrate hydrates and performing largescale and accurate simulations utilizing new computer technologies are also reasons for this advancement. Here we review the studies on clathrate hydrates presented at this meeting and state the progress being made in hydrate research.

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, コンピュータシミュレーションによる氷の結晶成長研究について述べる．氷の結晶成長をシミュレー ションで調べるために我々が最近開発した水分子間相互作用モデルについて説明する．また，そのモ デルを用いて行った氷の固液界面の分子動力学シミュレーションから得られたミクロな固液界面構造 と成長機構について述べる．, We describe computer simulation studies on the crystal growth of ice. An intermolecular potential model of H2O, which we recently developed for simulation studies on the crystal growth of ice, is explained. Moreover, molecular-scale structures of ice-water interfaces and growth kinetics obtained by molecular dynamics simulations using the model are presented.

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, Growth forms of snow crystals are closely related to the surface structures of ice. Over several decades, various experiments have revealed the existence of quasi-liquid layers on ice surfaces. In this paper we introduce a macroscopic model of the quasi-liquid layers proposed by Lacmann and Stranski in 1972. Based on this model, we analyze the properties of these quasi-liquid layers and explain the phase diagram of snow crystals., 冬になると目にする雪結晶の様々な形の生成メカニズムは，まだ完全には理解されていない．そこには，氷の表面構造が深く関与していると考えられている．この数十年間で氷の表面には擬似液体層があることが実験的に明らかになってきた．ここでは，1972年にLacmannとStranskiが考案した擬似液体層のモデルを軸に，擬似液体層の性質を解析し，雪の相図を説明する．

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, アルカリ金属イオン水溶液系について，171個の溶媒水分子を含めた系に対してモンテカルロ法によ り溶媒水分子の分布を求めた．さらに，イオンおよび130個程度までの溶媒水分子に対する非経験的 分子軌道法計算により，溶媒水分子に対するイオンの影響を明らかにした．アルカリ金属イオンの影 響は，イオンの最外殻軌道と水分子の軌道との軌道間相互作用に起因しており，イオンの種類によっ て影響範囲が異なる．イオンの種類による電荷分布の違いには，イオン半径ではなく，イオンの最外 殻軌道が到達する範囲の違いが重要である, The distribution of solvent water molecules around an alkali metal ion is calculated using Monte Carlo method and compared with the optimal configuration. The analysis of the orbital interaction between an alkali metal ion and the surrounding solvent molecules is performed for aqueous solutions of Li+, Na+ and K+, by means of ab initio MO method,with the aid of QM/MM method. The effect of alkali metal ion orbitals reaches as far as 6Å,7Å and 9Å for Li+, Na+ and K+, respectively. This effect is caused by the orbital interactions between the valence orbitals of an alkali metal ion and of the surrounding water molecules. Not only the electrostatic interaction but also the orbital interaction must not be neglected. The difference in the effect between the alkali metal ions is originated from the difference in the valence orbital extensions of the alkali metal ions.

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, 水分子の多面体（12，14，16面体）クラスターは，クラスレート水和物の構成要素として近年クラ スレート水和物への関心が高まるのと同じく研究が盛んになってきている．本稿では，最近約10年間 のこの分野での研究を概観する．, Clathrate hydrates are composed of polyhedral water clusters including gas atoms or molecules. Polyhedral water clusters including gases are considered to play an important role for understanding the properties of clath rate hydrates. In this article, I briefly review quantum chemical studies on gas-including polyhedral water clusters.

3章 クラスレートハイドレート研究のフロンティア, 中性子が物質中の原子や分子の熱運動程度のエネルギーを持つと，その波長は原子サイズのオーダー になる．これにより，Ｘ線の回折と同様な条件の下，凝集体の回折現象の測定が可能となるうえ，原 子・分子の熱運動と中性子の間のエネルギーのやり取りを観測しやすい．つまり，中性子散乱実験で は，凝集体の空間的な構造と運動に関する情報，すなわち動的構造を一挙に得ることが可能となる． ここでは，この中性子散乱測定の特長を活かしてメタンハイドレートの測定を行い，得られた３次元 的な構造を持つスペクトルからメタン分子の微視的な運動を詳細に解析した例を示す．, Clathrate hydrates are nonstoichiometric inclusion compounds with a host framework composed of water molecules. Methane hydrate consists of two kinds of water cages, two pentagonal dodecahedra and six tetrakaidecahedra in a unit cell,which contains one methane molecule in each. It has been said that the methane molecule rotates almost free in the cage. We made measurements of dynamical structure factors over the wide Q-E space using neutron inelastic scattering. The obtained dynamical structure factor S(Q,E) of methane hydrate shows a characteristic feature in Q-E space. The rotational levels of methane coincide with those of a free methane molecule and show a recoil like behavior in the high Q region, meaning that methane molecules in methane hydrate rotate almost freely.

3章 クラスレートハイドレート研究のフロンティア, van der Waals and Platteeuw理論を拡張して，空洞の多重占有を理論的に取り扱えるようにした．空洞の多重占有の自由エネルギーの簡単な計算法を示し，それをアルゴン包接水和物構造IIの大きい空洞の二重占有に適用した．二重占有は270MPa以上で重要になることが示された．, We have extended the van der Waals and Platteeuw theory to treat multiple occupancy of a single cage of clathrate hydrates. We propose a simple way to calculate the free energy of multiple cage occupancy,and then apply it to an argon clathrate structure II in which a larger cage can be occupied by two argon atoms. It is found that double occupancy dominates over single occupancy when the guest pressure in equilibrium with the clathrate hydrate exceeds 270 MPa.

2章 水系物質の物性研究フロンティア, Amorphous ice and clathrate hydrates of Xe and SF6 were prepared using our homemade cryostat for vapordeposited samples. Neutron diffraction,small-angle scattering, and inelastic scattering measurements of the prepared samples revealed a cage-like local structure in amorphous clathrate hydrates, structural relaxation far below Tg, accompanying structural ordering around the second nearest neighbors, and density homogenization of a 30 A°order. The present experiments also clarified the relationship between low-energy excitation (boson peak) and the ordering of the hydrogen-bonded systems., アモルファスの氷およびクラスレート水和物（ゲスト分子はXeとSF6）を自作の蒸着用クライオスタットにより作成し，in situの中性子回折，小角散乱および非弾性散乱測定を行った．その結果，アモルファスクラスレート水和物にケージ状の局所構造が存在すること，両方の系においてガラス転移温度よりはるかに低温から構造緩和が起こること，その構造緩和が第２近接（４－５Å）付近の秩序化と30Åオーダーの密度均一化を伴うことを見いだした．また，低エネルギー励起（ボゾンピーク）と水素結合系の秩序化の関係を明らかにした．

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, The relationship between molecular structure and the water-clay interaction of interlayer water in sodium type smectite were discussed using molecular dynamics (MD) simulations based on the free flexible force field model. Two distinct bands were found at 3365 and 3500 cm-1 in the stretching vibrational spectrum of interlayer water. The former was assigned to the O-H bond that was not bound to the clay surface, while the latter was attributed to O-H vibrations bound to the clay surface through hydrogen bonding. The hydrogen bond distance (H...O distance) between water and the clay surface (H water ... O clay = 0.22 nm) was larger than that between water molecules (H water...O water = 0.19 nm). Detailed comparisons of simulation results with IR spectroscopic observations indicated good agreement., ナトリウム型スメクタイトの層間水の分子構造と鉱物--水相互作用の関係について分子動力学法により研究した．層間水の振動スペクトルは3365と3500cm-1にピークを持ち，赤外吸収測定結果とほぼ一致している．後者は粘土表面に向かって配向したO-H結合に帰属され，前者は配向していないO-H結合に帰属される．水素結合距離（Ｈ...Ｏ距離）は，水分子--粘土表面間（0.22nm）の方が水分子--水分子間（0.19nm）よりも長く，振動数との関係も調和的であった．

2章 水系物質の物性研究フロンティア, The plasticity of ice, which demonstrates the strongest anisotropy among the various properties of ice, is reviewed in terms of the characteristic nature of dislocations in ice. Ice is deformed as if all possible sliding systems except for basal sliding are forbidden; like a deck of cards in which the surface is parallel to a basal plane. This peculiar nature of ice plasticity is explained by the characteristic structures of dislocations in ice, or by the fact that it originates with cubic structure Ic embedded in hexagonal ice Ih. The dislocation in ice extends over the basal plane because there is a very small energy difference between Ih and Ic that restricts its movement on the basal plane. Even though only the basal system is active in ice plasticity, it is apparent in the text that non-basal systems are also important in the deformation mechanism., 氷の物性の中でももっとも顕著な異方性を示す塑性について，転位論に立脚して解説する．氷結晶を作っている水素結合の強さはどの方向にもほとんど同じであるにもかかわらず，氷はあたかも底面に積み重ねたトランプのカードのように，底面すべりだけが卓越して生ずる．それ以外の変形は禁止されているかのようである．その直接の原因は，氷結晶中の転位の特異な性質にあるが，それをもたらすのは，六方晶である氷Ihの中に潜む立方晶Icの構造である．この２つの結晶構造のエネルギー差が小さいために，転位は底面上でリボン状に拡張して顕著な塑性異方性をもたらす．しかし，このような転位の挙動を詳しく見てゆくと，底面以外の面ですべり変形が活発に働いているという意外な側面がみえてくる．

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, 多様な状況下で多様な振る舞いを示す水の性質の解明は，長い研究の歴史にも拘らず，なお物理化学， 生物の主要な研究課題となっている．第一原理分子動力学法に基づく計算機シミュレーションによる 水の研究から，水の基本的性質，超臨界水の物理と化学，高圧下のメタンハイドレードなどについて 解説する．, Water can exhibit various properties under various conditions. Despite the long history of research, the elucidation of basic properties of water is still a central subject in physical chemistry and biology. Recent activities in the study of water are reviewed on the following subjects : 1) basic properties of water, 2) supercritical water and its role in chemical reactions, and 3) high-pressure phases of methane hydrate

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, 水を氷点よりも深く過冷却すると，２つの液相に相分離すると言われている．これらは，分子スケールで見ても異なる構造（分子配置）になっているはずである．計算機シミュレーションの結果をもとに，２つのランダムな構造の違いを見わける方法を考察する．, Recent studies revealed the liquid-liquid phase transition in the supercooled liquid region of water and silicon. In this article,a new method of classifying the local structure of amorphous water and silicon by the use of pattern matching technique and graph theory is introduced.

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, Water,ice,and methane hydrate are substances that have important influences on life on earth. In this article, I introduce my research on methane hydrate, solid argon, and MgSiO3 post-perovskite,and discuss about my aim of deciphering the history of life and the universe from first principles., 水，氷，メタンハイドレートは地球生命の歴史に大きく関わってきた重要物質である．本稿ではメタンハイドレート高圧相，超高圧固体アルゴンおよび地球最深部構成物質MgSiO3ポストペロブスカイトに関する筆者の研究を紹介し，宇宙と生命の歴史を分子シミュレーションで解き明かす夢を語る．

3章 クラスレートハイドレート研究のフロンティア, It was found that CH4 hydrate and ice could be stored at an atmospheric pressure below 273 K for long periods ; this phenomenon was named as self-preservation. However, a remaining puzzle is the anomalous preservation behavior of CH4 hydrate samples in which the storage stability of CH4 hydrate is greater between 242 and 271 K than it is below 240 K. In this paper, I summarize recent studies on the self-preservation phenomena and discuss the mechanism of self-preservation during dissociation of CH4 hydrate., 氷点下温度でのガスハイドレートの分解は，ハイドレートの分解によって形成される氷が圧力容器の働きをし，解離圧以下の圧力条件においてもハイドレートの分解が抑制されると考えられてきた．近年，Sternらにより"anomalous preservation"も報告され，ガスハイドレートの分解メカニズムはいまだ解明されていない．本稿では，ガスハイドレートの自己保存効果に関する最近の研究を紹介するとともに，そのメカニズムについて考察する．

2章 水系物質の物性研究フロンティア, 水・アルコール２成分混合系に対して，レイリーブリルアン散乱と低振動数ラマン散乱を測定した．レイリーブリルアン散乱からはLandau-Placzek比を求めた．低振動数ラマン散乱は，系の動的感受率x"(ν)に直した．Landau-Placzek比の濃度依存性からは，アルコールの濃度12mol%で濃度揺らぎが最大になることがわかった．x"(ν)は，分子間振動領域については，混合物のスペクトルが純物質のスペクトルの重ね合わせで再現できたが，40cm-1では重ね合わせからのずれがみられ，単純なミクロ相分離モデルでは混合状態を説明できないことがわかった．, Rayleigh-Brillouin and low-frequency Raman scattering were performed for water and alcohol (methanol,ethanol, 1-propanol and 2-propanol) binary mixtures. The Landau-Placzek ratio obtained from Rayleigh-Brillouin spectra depends on both concentration and molecular weight, and qualitatively corresponds to the ultrasonic absorption. M icroscopic concentration fluctuations mainly affect on the Landau-Placzek ratio of wateralcohol mixtures. Deduced Raman spectra, x"(ν), of the mixtures can be decomposed into a linear combination of pure water and neat ethanol in the frequency range from 40 cm-1 to 250 cm-1. Below 40 cm-1, the spectra cannot be decomposed into the linear combination and systematic deviations are found. The results indicate that the micro scopic aggregation of water and ethanol molecules depends on the mixing ratio.

3章 クラスレートハイドレート研究のフロンティア, ダイヤモンド・アンビル・セルを用いた単結晶顕微観察およびラマン散乱分光測定は，ガスハイドレー トの圧力誘起相転移およびゲストガス分子によるホスト水ケージの占有性の変化を調べる上で非常に 有効な手段である．本稿では，これら手法の特徴を解説するとともに，これまで我々が調べてきたア ルゴンハイドレート，クリプトンハイドレート，窒素ハイドレート，メタンハイドレートの圧力誘起 相転移，ホスト水ケージのゲストガスによる占有性の結果について考察を行う．, Microscopic observation and in-situ Raman scattering studies on high-pressure phase transformations and cage occupancies of single-crystalline Ar, Kr, nitrogen, and methane hydrates were reviewed. In this article we explained the characteristics of these experimental methods for ascertaining high-pressure phase transformations and cage occupancy of guest molecules. We also discuss the results of the pressure-induced phase transformations and cage occupancy for gas hydrates.

3章 クラスレートハイドレート研究のフロンティア, 氷やクラスレートハイドレートに放射線を照射すると内部にラジカル種が誘起される．その一部は試料内部で安定化し，電子スピン共鳴（ESR）法により検出できる．本稿では，星間空間の氷星間塵に存在すると考えられているアモルファス氷や南極氷，霧氷，メタンハイドレートといった試料を対象とし，その照射効果をESR法により調べ，年代測定や環境評価の可能性について検討した．, Radiation effects on amorphous ice, Antarctic ice, rime ice and methane hydrate have been studied by electron spin resonance (ESR) for chronological applications and environmental assessments. In amorphous ice, HO2 radicals formed by UV light exposure decay around 150 K, followed by phase transition from amorphous ice to ice (Ic). In Antarctic ice and lime ice, NO2 was detected after gamma-ray irradiation, suggesting that ESR signals of NO2 may be used as a tracer of NOx or NO3- in ice. In methane hydrate, methyl radicals formed by gamma-ray irradiation decayed over 193 K, dissociation temperature of methane hydrate. The radical may be stabilized in the cages formed by water molecules.

1章 コンピュータシミュレーションが拓く水系物質研究のフロンティア, 氷や雪のもつ〝滑りやすさ"は，スキーやスケート等のウィンタースポーツには欠かせない性質である．この〝滑りやすさ"の原因は，氷表面に存在する液体状の層（擬似液体層）にあると考えられている．氷結晶は，その表面に擬似液体層を持つことにより，成層圏におけるオゾン破壊や雷雲の帯電等，様々な自然現象を引き起こす．本稿では，最近の分子動力学計算による研究を中心に，氷表面の構造とダイナミクスについて解説する．, The surface of ice and snow is slippery. This slipperiness property of ice surface has usually been explained by a lubricating layer of water film, which exists on the surface. Ice crystals have a melting layer on the surface even at low temperatures below the bulk melting point. The surface melting of ice plays a fundamental role in many phenomenon found in our everyday life as in charge transfers in thunderstorms, frost heave, and in winter sports such as skiing and skating. Further, chemical reactions in the melting layer of ice accelerate the destruction of the ozone layer in the stratosphere. I review the dynamics of the ice surface and the effects of the dynamics on the formation process of the melting layer on ice surface.

3章 クラスレートハイドレート研究のフロンティア, ガスハイドレートは，従来，内包するゲストサイズにより構造が選択されると考えられていたが，近 年ダイヤモンドアンビルを用いた高圧Ｘ線回折実験によって新たな相の存在や多様な相変化が明らか となった．本稿では水素からキセノンまでのガスハイドレートに対し，ゲストサイズと圧力とをパラ メータとする相変化を概観する．また，メタンハイドレートの特異的な高圧安定性を基に，海王星や タイタンなどの氷惑星・衛星における存在の可能性を検討する．, Recent high-pressure studies on gas hydrates, including methane hydrate, have accumulated to the extent that we now have a better understanding of the phase changes in gas hydrates. A feature of phase changes in terms of pressure and guest size was summarised earlier in this paper. Gas hydrates with a guest size from argon to methane eventually take a common filled ice Ih structure, although they have different initial and intermediate structures. In the latter part, retention by the filled ice Ih structure of methane hydrate up to 42 GPa is described. In-situ x-ray diffractometry and optical observation revealed the existence of the filled ice structure with as volume change of 40% and large anisotropic compressibility. Symmetrization of the hydrogen bonds in water molecules forming the fundamental structure was suggested to occur. The meanings for geological and planetary sciences of the phase changes and the retention of a very high pressure of methane hydrate are also discussed.