[P-PS09] 惑星科学

[PPS09-19] 氷微惑星の衝突破壊強度に対する斜め衝突の効果

中村 誠人¹、*保井 みなみ¹、荒川 政彦¹ (1.神戸大学大学院理学研究科惑星学専攻)

キーワード：衝突破壊、斜め衝突、氷微惑星、衝突破壊強度、有効エネルギー密度

水氷は木星以遠の衛星、巨大惑星のリング、カイパーベルト天体、彗星等において主要な構成物質であり、これらを総称して氷天体と呼ぶ。惑星形成過程では、微惑星同士の衝突破壊・再集積により原始惑星が形成されたと考えられており、氷微惑星の衝突現象は氷天体の形成を考える上で非常に重要である。また、天体同士の衝突は斜め衝突で起こる確率が高く、衝突角度が45°の衝突確率が最も高いと言われている。しかし、水氷を用いた衝突実験は低温設備が必要なことから研究例が少なく、さらに、衝突破壊過程に対する衝突角度の影響を調べた研究はほとんど行われていない。従って、本研究では氷微惑星の模擬物質として氷球・雪玉（高空隙氷）を用いた高速度衝突破壊実験を行い、氷・雪の衝突破壊過程（衝突破壊強度及び破片速度）に対する衝突角度の影響を調べた。

標的には直径60〜80mmの氷球、雪玉（空隙率50%）を用いた。弾丸には直径2mm及び4.7mmのポリカーボネートを用いた。衝突速度は0.8〜4.2km/sとし、衝突角度は90°～15°と変化させた。実験は神戸大学の横型二段式軽ガス銃を用いた。実験は-15℃の低温室内で行い、破壊の様子を高速カメラで撮影した。衝突角度は正面衝突を90°として、高速カメラの画像から決定した。破壊後の衝突破片は回収し、質量と個数を計測した。

衝突破壊強度Q*は破壊後の最大破片質量m_lが元の標的質量M_tの半分になる時（m_l/M_t=0.5、m_l/M_tは規格化最大破片質量）のエネルギー密度Qであり、エネルギー密度Qは標的単位質量あたりに与えられる弾丸の運動エネルギー（Q=m_pv_i²/2M_t）と定義される。衝突実験の結果、正面衝突における氷・雪の衝突破壊強度はそれぞれ13.5J/kg、489J/kgとなった。正面衝突において規格化最大破片が0.03となる高エネルギー密度の条件下では、衝突角度を変化させると氷では30°以下でm_l/M_tの急増が、雪では50°以下でm_l/M_tの緩やかな増加が見られた。正面衝突において規格化最大破片が0.3となる低エネルギー密度の条件下では、氷・雪ともにデータのばらつきが大きくなったが、衝突角度が小さいほどm_l/M_tが増加するという同様の傾向が見られた。

斜め衝突において標的の破壊に寄与するのは、標的中心方向へ向かう弾丸の速度成分であると考え、有効エネルギー密度Q_eff=m_p(v_isinθ)²/2M_tを定義した。Q_effとm_l/M_tの関係は各標的で衝突角度によらず一つのベキ乗式で説明でき、氷・雪の衝突角度によらない衝突破壊強度はそれぞれ15.6J/kg、462J/kgとなった。衝突点と標的中心を結んだ標的の反対側から飛翔する破片の速度（反対点速度）に関しても、衝突角度に依らず、一つのベキ乗式で表すことができた。