[P-PS06] 惑星科学

[PPS06-07] 内海を覆う氷地殻を貫通するクレーターに関する高速度衝突実験

*菊川 涼介¹、保井 みなみ¹、豊田 優佳里¹、笹井 遥¹、荒川 政彦¹ (1.神戸大学)

キーワード：衝突実験、氷衛星、クレーター

太陽系には、エウロパやエンセラダスのような内海を有する氷衛星が存在すると言われており、この内海は生命の起源に関連する化学進化が起こりうる重要な環境である。生命に必要な代謝エネルギーは酸化剤と還元剤の相互反応により生じ、還元剤の一種であるH₂は内海の海底における熱水活動で生じ得る。一方、酸化剤の一種であるO₂は氷衛星表面における太陽風の照射により生じる。これらの相互反応を持続的に行うためには、酸化剤を含む氷衛星の表層物質が定期的に内海へと輸送される必要があり、小天体による氷地殻への高速度衝突やそれに伴う氷地殻の貫通はその鍵となるメカニズムの1つだと考えられる。
本研究では、内海を模擬した物質(シリコンオイル)を覆う氷板への高速度衝突実験を行い、氷板へのクレーター形成に対する内海(液体)の影響と弾丸が氷板を貫通する境界条件を調べた。全ての実験は、-15℃の低温室内で実施した。ここで、内海模擬物質としてシリコンオイルを使用したのは、-15℃の低温室内で凍結しない液体を用いるためである。実験では、シリコンオイルを覆う氷の厚みと衝突速度を変化させた。また、比較のためにシリコンオイルのない氷板単体への衝突実験も行った。
衝突実験は神戸大学の横型2段式軽ガス銃を用いて行った。標的は氷板単体のものと氷・液体層構造標的の2種類を準備した。氷板単体の標的はアクリルボックスで4辺を固定した標的と金属板で1辺のみを固定した標的を用意した。氷・液体層構造標的は氷板をアクリルボックスに固定した後、アクリルボックス内をシリコンオイルで満たして作成した。氷板の厚みは2.4~20.1mmで、弾丸は直径1mmのアルミ球、衝突速度は1km/s、2km/sで実験を行った。
実験の結果、氷板単体標的、氷・液体層構造標的ともに氷板の厚みの増加に伴い表側スポール直径が増加したが、両者の表側スポール直径の間にほとんど差異はないことが分かった。また、氷・液体層構造標的では、表側スポール直径は衝突速度の増加に伴い増加することが分かった。一方、氷・液体層構造標的における裏側スポール直径は、同速度では氷板単体の標的より小さくなることが分かった。
衝突点の反対点から放出される破片の速度、すなわち、反対点速度は、氷板の厚みの増加に伴い減少し、また、液体の存在により3~4倍小さくなることが分かった。この反対点速度の計測値から、氷板単体標的の反対点圧力を計算した。その結果、今回行った実験で発生した最大の反対点圧力は1GPaであることが分かった。更に、衝突速度1km/sでの氷板単体標的と氷・液体層構造標的の貫通・非貫通境界の氷板厚さはそれぞれ約9mmと約6mmであることが分かった。加えて、衝突速度2km/sにおける氷・液体層構造標的の貫通・非貫通境界の氷板厚さは約9mmであることが分かった。
同じ衝突速度における、貫通・非貫通境界の氷板単体標的と、氷・液体層構造標的の差異は、裏側スポール直径の違いに起因すると考えられる。氷板単体標的では、氷・液体層構造標的よりも裏側スポール直径が大きいため、より深い所まで掘削される。そのため、氷板単体標的における貫通・非貫通境界の氷板厚さはより厚くなると思われる。氷・液体層構造標的では、氷板背面の液体の存在により、氷板裏面における反射波が弱まることで裏側におけるスポレーションが抑えられていると考えられる。これらの考察から、内海の存在がクレーター形成に伴う氷地殻の貫通を抑えていると推測する。