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[PPS07-P02] 圧密進化した氷衛星のクレーター形成過程に関する実験的研究：クレーターサイズスケール則と運動量輸送効率に対する空隙率の影響
キーワード：クレーター形成実験、雪、空隙率、クレーターサイズスケール則、運動量輸送効率、強度支配域
近年の惑星探査の進歩により、土星や木星の氷衛星にも衝突クレーターの存在が確認されている。これらの氷衛星のバルク密度から推定される空隙率は、5%以下から50%以上まで広範囲に及ぶ。一方、このような氷衛星の表面組成は明らかになっていない。天体の表面組成は、クレーター形態によって予測することができる。クレーター形態から氷衛星の表面組成を予測するためには、氷地殻上のクレーター形成過程の理解とそれに適応可能なクレーターサイズに関するスケール則が必要となる。
また近年、地球に衝突する可能性のある小天体に人工的に探査機を衝突させ、その小天体の軌道を変えるプロジェクトが行われ、探査機の衝突条件と天体間の運動量輸送効率の関係が調べられている。先行研究から、運動量輸送効率は標的天体の物性、特に標的物質の強度や空隙率によって変化していることがわかっている。本研究では、太陽系の中で最も普遍的な物質の１つである氷物質の運動量輸送効率を調べる。それは、地球に衝突する可能性のある小天体の１つである彗星を模擬するためでもある。
以上より、本研究では氷天体のクレーターサイズ及び運動量輸送効率の空隙率依存性を調べるために、空隙率を変化させた雪標的を用いた高速度衝突実験を行った。そして、氷天体に適応可能なクレータースケール則と運動量輸送効率に関する経験式の構築を目指した。
標的に用いた雪標的は、ブレンダーで砕いた水氷を710μm以下の粒子のみを抽出し、円筒形の圧縮容器に入れ，油圧式ポンプを用いて上からピストンで圧縮して作成した。圧縮容器に詰める雪粒子の質量を変化させ，空隙率10-50%の5種類（10%毎に変化）の雪標的を作成した。また、氷標的は市販の板氷を直方体に切断し，表面を平らにしたものを用いた。衝突実験は神戸大学の横型二段式軽ガス銃を用いて行った。弾丸には直径1mmのアルミ球を用いて、衝突速度は1.2-5.0km/sの範囲で変化させた。衝突の様子は、高速カメラで撮影した。高速カメラの連続画像を用いて標的の衝突後の運動を追跡し、衝突前後の運動量の変化を解析した。
本研究の標的で観察されるクレーターは、中心にお椀型のピットをもち、その周囲をスポール領域で囲まれた典型的な強度支配域のクレーターであった。ピットとスポールの半径をそれぞれ計測し、空隙率及び衝突速度依存性を調べた。まず、スポール半径は空隙率が大きいほど小さくなることがわかった。そのため、スポール半径をHousen & Holsapple (2011)が提唱している強度支配域のπスケール則に適用し、規格化引張強度を用いて整理した。しかし、スポール半径の空隙率依存性が引張強度の空隙率依存性だけでは整理できなかったため、初期衝撃圧力や衝撃波の減衰定数がスポール半径の空隙率依存性に与える影響について考察した。その結果、衝撃圧力の減衰定数mと空隙率φの関係式m=(2.13±0.38)(1-φ)-0.95±0.05が得られた。この結果から、スポール半径の空隙率依存性は引張強度に加え、衝撃圧力の減衰定数の空隙率依存性も考慮することで、説明できた。
一方、ピット直径は空隙率が0%から20%まで増加すると小さくなり、20%から50%まで増加すると逆に大きくなった。この結果を、規格化圧縮強度を用いた強度支配域のπスケール則を用いて整理したところ、空隙率20%以上のピット直径は強度の空隙率依存性を考慮することで整理できた。そして、規格化ピット半径πR_pitと規格化圧縮強度πY_cの関係はπR_pit=(0.05±0.02)πY_c-0.44±0.04となった。
運動量輸送効率β-1は、空隙率が小さいほど、大きくなることがわかった。衝突速度1km/sの場合、空隙率40%以上の雪標的ではエジェクタの放出量が少なく、そのため、空隙率30%以下の雪標的と比べるとβ-1は約１/10程度まで小さくなることがわかった。また、岩石の結果と比較したところ、岩石も雪標的も空隙率が小さいほど、運動量輸送効率が大きくなることがわかった。これは、空隙率が大きいほど、圧縮によるクレーター形成が起こり、十分な量のエジェクタが放出されないためだと考えられる。
また近年、地球に衝突する可能性のある小天体に人工的に探査機を衝突させ、その小天体の軌道を変えるプロジェクトが行われ、探査機の衝突条件と天体間の運動量輸送効率の関係が調べられている。先行研究から、運動量輸送効率は標的天体の物性、特に標的物質の強度や空隙率によって変化していることがわかっている。本研究では、太陽系の中で最も普遍的な物質の１つである氷物質の運動量輸送効率を調べる。それは、地球に衝突する可能性のある小天体の１つである彗星を模擬するためでもある。
以上より、本研究では氷天体のクレーターサイズ及び運動量輸送効率の空隙率依存性を調べるために、空隙率を変化させた雪標的を用いた高速度衝突実験を行った。そして、氷天体に適応可能なクレータースケール則と運動量輸送効率に関する経験式の構築を目指した。
標的に用いた雪標的は、ブレンダーで砕いた水氷を710μm以下の粒子のみを抽出し、円筒形の圧縮容器に入れ，油圧式ポンプを用いて上からピストンで圧縮して作成した。圧縮容器に詰める雪粒子の質量を変化させ，空隙率10-50%の5種類（10%毎に変化）の雪標的を作成した。また、氷標的は市販の板氷を直方体に切断し，表面を平らにしたものを用いた。衝突実験は神戸大学の横型二段式軽ガス銃を用いて行った。弾丸には直径1mmのアルミ球を用いて、衝突速度は1.2-5.0km/sの範囲で変化させた。衝突の様子は、高速カメラで撮影した。高速カメラの連続画像を用いて標的の衝突後の運動を追跡し、衝突前後の運動量の変化を解析した。
本研究の標的で観察されるクレーターは、中心にお椀型のピットをもち、その周囲をスポール領域で囲まれた典型的な強度支配域のクレーターであった。ピットとスポールの半径をそれぞれ計測し、空隙率及び衝突速度依存性を調べた。まず、スポール半径は空隙率が大きいほど小さくなることがわかった。そのため、スポール半径をHousen & Holsapple (2011)が提唱している強度支配域のπスケール則に適用し、規格化引張強度を用いて整理した。しかし、スポール半径の空隙率依存性が引張強度の空隙率依存性だけでは整理できなかったため、初期衝撃圧力や衝撃波の減衰定数がスポール半径の空隙率依存性に与える影響について考察した。その結果、衝撃圧力の減衰定数mと空隙率φの関係式m=(2.13±0.38)(1-φ)-0.95±0.05が得られた。この結果から、スポール半径の空隙率依存性は引張強度に加え、衝撃圧力の減衰定数の空隙率依存性も考慮することで、説明できた。
一方、ピット直径は空隙率が0%から20%まで増加すると小さくなり、20%から50%まで増加すると逆に大きくなった。この結果を、規格化圧縮強度を用いた強度支配域のπスケール則を用いて整理したところ、空隙率20%以上のピット直径は強度の空隙率依存性を考慮することで整理できた。そして、規格化ピット半径πR_pitと規格化圧縮強度πY_cの関係はπR_pit=(0.05±0.02)πY_c-0.44±0.04となった。
運動量輸送効率β-1は、空隙率が小さいほど、大きくなることがわかった。衝突速度1km/sの場合、空隙率40%以上の雪標的ではエジェクタの放出量が少なく、そのため、空隙率30%以下の雪標的と比べるとβ-1は約１/10程度まで小さくなることがわかった。また、岩石の結果と比較したところ、岩石も雪標的も空隙率が小さいほど、運動量輸送効率が大きくなることがわかった。これは、空隙率が大きいほど、圧縮によるクレーター形成が起こり、十分な量のエジェクタが放出されないためだと考えられる。