粉粒体を伝播する衝突励起地震に関する実験的研究○松榮 一真 1, 荒川 政彦 1, 保井 みなみ 1, 高野 翔太 1, 長谷川 直 21
神戸大学大学院理学研究科, 2 宇宙科学研究所

はじめに小惑星表面はボルダーなどのレゴリス層で覆われていることがこれまでの探査によって明らかとなった。数値シミュレーションによってレゴリス層で覆われた小惑星の表層地形は天体衝
突 に よ っ て 発 生 す る 振 動 ( 衝 突 励 起 振 動 ) に よ る 変 化 が 支 配 的 だ と 考 え ら れ て い る (e.g.
Thomas and Robinson,2005,Richardson et al.,2005)が、衝突励起振動に着目した実験的研究は少ないのが現状である。我々はこれまで石英砂標的に高速度衝突実験を行い衝突励起振動の減衰過程や励起特性について調べてきた(松榮 他,衝突研究会 2014)。今年に入り高速銃のサボ分離技術が確立したため、宇宙科学研究所の新型縦型二段式軽ガス銃で銃身径より小さな弾丸を発射できるようになった。そこで、密度の異なる直径 2mm の弾丸を用いて高速度クレーター形成実験を行いクレーター形成過程の観測とともに衝突励起振動を計測した。これまでの実験結果を基に、衝突励起振動の伝播過程に重要となる“振動強度の距離減衰率”と“弾丸の運動エネルギーが振動エネルギーに変換される割合”について調べた。

実験方法
宇宙科学研究所の新型縦型二段式軽ガス銃を用いてクレーター形成実験を行った。弾丸に直径 4.7mm のポリカーボネート球、直径 2mm の密度の異なる７種類の球(ガラス・アルミ・チタン・ジルコニア・SUS・銅・タングステンカーバイト)を用いた。衝突速度は、ポリカーボネート球を 0.2-6.9km/s、2mm 球を 2,4,5km/s で実験を行った。標的試料には直径 500μm(バルク密度は1.48g/cm3, 安息角は 32°)の石英砂を用いた。標的表面に加速度計(日本アビオニクス製
SV1113:電荷感度 5.47pC/sm-2, 応答周波数:0.5Hz-10kHz)を、衝突点からの位置を変化させて2.5cm 埋めて複数個設置した。加速度計の信号はチャージアンプを通した後、A/D 変換速度100kHz のデータロガーで記録した。なおチャンバー内は 10Pa 以下まで真空引きしている。実験
後にレーザー変位計(LJ-V7300, KEYENCE Co.)でクレータープロファイルを取得しクレーター形状を調べた。

実験結果

衝突クレーター形状(弾丸密度)v~4km/s

図 1a は異なる弾丸物質を衝突速度〜4km/s で衝突させた際に形成されたクレーターのプロファイルを示している。弾丸の運動エネルギーが大きくなるにつれてクレータ

0.1

ー直径と深さが大きくな0ることがわかった。形状を比較するためにクレー 特徴••

傾斜〜30°

密度ρ：大" 
図 1a.クレータープロファイル
図 1b.規格化したクレータープロファイル-0.2  
弾丸密度が大きくなるとクレーターの直径、深さが大きくなる  
弾丸によって、直径に対する深さの大きさが異なる-0.3       Ø 密度が大きい弾丸の方が、深いクレーターを形成  -0.4
クレーターの内壁はどの条件でもほぼ一定の傾斜を保つ
!   •-0.5傾斜角~30 (石英砂の安息角：33 2 )y/Rrim•-0.1

加速度波形~弾丸別~特徴

15

ガラス球 (ρ=2.5g/cm3)10

v=4.0km/s , R=5.3cm
x=13cm, x/R=2.5x=17cm, x/R=3.2
x=20cm, x/R=3.9

Acceleration g, m/s

2gmax• 衝突直後に単一のピーク
5• 周期は約100­300Hz• 時間・距離と共に加速度は減衰
0• クレーターが形成前に伝播
ターリム半径で規格化した図1b より、密度の大きな弾丸の衝突で形成されるクレーターの直径
Thalf• ガラスビーズ標的での波形と類似に対する深さが大きくなることがわかった。このことから、異なる弾丸が衝突した際のクレー(Yasui et al.,2015)-5tmax加速度波形から計測した値
ター形状が異なることがわかった。

0

図 2 は、SUS 球を 4km/sで衝突させたときに励起1)最大加速度：gmax

2.0 0.3ms• 弾丸物質、衝突点からの距離によらず一定度が減衰している波形が観測された。加速度の最大値 gmax を計測し、振動伝播距離x によって振動強度3)最大値到達時間：tmax-3

810x10v=3.8km/s , R=7.1cm
x=17cm, x/R=2.3x=21cm, x/R=3.0x=24cm, x/R=3.4

gmax

2

加速度のピークを示す単発波形で、振動しながら強6SUS球 (ρ=7.8g/cm3)

20

Acceleration g, m/s2)継続時間：Thalf

4Time, s30

された振動波形の時間変化を示している。衝突後に210最大加速度の距離減衰がどのように減衰するのかを調べた。伝播距離xが• glassbeadより遅い：
Vp〜50-70m/s

110m/s(Yasui et al.,2015)

同じ時、弾丸密度が大きくなるにつれて最大加速度• ＡＥセンサーと同程度2)規格化距離x/Rが大きくなることがわかり、距離のベキ乗で強度が0Thalf-10tmax
0246Time, s

310異なる弾丸物質における振動加速度はクレーター  

化距離 x/R でスケーリングできることを示唆する。
特徴
本 研 究 で 得 ら れ た 経 験 式 は 、 𝑔"#$ = 124 ±./.12±2.3430 𝑥 𝑅となり規格化距離の 2.8 乗で減衰する。

Acceleration gmax,m/sの違いによる最大加速度の違いが小さくなり、規格2

半径 R で規格化した距離 x/R で表せると報告されてた(図 3)。データのばらつきは大きいが、弾丸密度210110010た。Yasui et al.,2015 での見積もり方と同様、sinスケーリング式−2.80±0.15!x$
gmax = 124 ± 30 # &"R%

観測した加速度波形を基に弾丸の運動エネルギーが振動エネルギーに分配される割合 k を見積もっ10x10

図 2.観測された加速度波形減衰することがわかった。Yasui et al.,2015 で、いるため、高速度衝突でも成立するかどうか確認し-38-1101x/R10

図 3.振動強度の距離減衰の弾丸密度依存性波にモデル化した振動波形 1 周期分が通過した領域の球殻の運動エネルギーを振動エネルギーとして算出した。データの比較のためにクレーターリムの位置(x/R=1)での振動エネルギーEs を計算し、弾丸の運動エネルギーEk で割ることでエネルギー変換効率 k を算出した。ポリカーボネート弾丸における計算結果が図 4 であり、本研究で得た値の平均値
は 8.1×10-5 となった。ガラスビーズ標的で得られた値(k=5.7×10-4)より一桁小さな値となった。高速度衝突で弾丸物質の破砕や熱エネルギーに変換される中で、運動エネルギーEk の約 0.01%が標的粒子の振動エネルギーに分配されたことがわかった。
図 4.エネルギー変換効率 k