Impact jetting の超高速撮像計測
黒澤耕介 1, 長岡洋一 1, 長谷川直 2, 松井孝典 16

1.千葉工大 惑星探査研, 2. ISAS/JAXA	 
要 旨 :斜 め 衝 突 時 の 超 高 速 下 流 方 向 成 分 の 起源を明らかにするため、斜め衝突の超高速撮像計測を行った。その結果、下流方向成分は弾丸貫入中に Impact jetting によって放出されていることが決定的になった。

はじめに:
固 体 惑 星 /衛 星 の 表 面 を 支 配 す る 地 形 は 衝突クレータである。この傷跡は太陽系の歴史が激しい天体衝突の歴史であったことを物語る。衝突天体がランダムに飛来すると仮定す
ると、衝突角度分布は 45°を中心とする釣り
鐘 分 布 に な る [Shoemaker, 1962]。 斜 め 衝 突 時の生成されるクレータの大きさは室内実験によって調べられ、任意の衝突条件に対して、
あ る 程 度 予 測 が 可 能 で あ る [e.g., Schimidt &Housen, 1987]。これは衝突クレータ生成過程においては遠方場近似が効き、初期の非軸対称性は均されてしまうからである。一方、斜め衝突後の衝突体の挙動は、垂直衝突のそれとは著しく異なる。室内実験で斜め天体衝突の模擬実験を行うと、衝突点から半球状に広が る 成 分 (以 下 、 半 球 膨 張 成 分 と 呼 ぶ )と 衝 突方向の下流側に、衝突速度と同等の速度で飛び 去 る 弾 丸 由 来 成 分 が 観 測 さ れ る [e.g.,Schultz & Gault, 1990; Sugita & Schultz, 2003a]	 
(以 下 、 下 流 方 向 成 分 と 呼 ぶ )。 高 速 で 飛 び 去る衝突天体は惑星大気と激しく相互作用することが予想され、惑星科学上の様々な興味深い事件との関連が指摘されている。例えば(1)Multiple Tsungsuka events の発生	  [Schultz& Gault, 1990], (2) 金 星 ク レ ー タ 周 辺の ”Run-out 	  flow の 起 源 [Sugita & Schultz,2002], (3) 強 力 な 熱 輻 射 の 発 生 [Sugita &Schultz, 2003b], (4) 大 規 模 な 惑 星 大 気 散 逸[Shuvalov, 2009], (5) 生 命 前 駆 物 質 の 合 成[Kurosawa et al., 2013], (6)星間塵の生成などが挙げられる。特に近年の斜め衝突実験では、
下 流 方 向 成 分 の 初 速 度 は 衝 突 速 度 の ~2 倍 に
及 ぶ こ と も 報 告 さ れ て い る [Hamura et al.,2012]。このような超高速成分の存在は、上記の諸問題のこれまでの理解を大きく変え得る。
例えば天体衝突による惑星大気散逸問題では、惑星の脱出速度が散逸の閾値を与える。従って、大質量で低速度の半球膨張成分よりも小質量で高速度の下流方向成分が、効率よく惑星大気散逸に寄与し得る。また、周辺大気から受ける空力加熱の熱流束の大きさは速度の３乗に比例するため、下流方向成分は従来考えられてきたよりも激しい空力加熱を受けることになる。しかし、このような下流方向成分の加速機構は明らかになっておらず、この現象が実験室特有のものか、天然の衝突現象でも起こり得るものか、結論が出ていなかった。本研究ではこの問題に決着をつけるため、
PERC の新型二段式水素ガス銃を用いて斜め衝突実験を行った。着弾時の弾丸を超高速撮像し、超高速成分の生成機構を探った。
斜め衝突の超高速撮像計測:
今回は衝突点で何が起こるかを明確にするため真空条件下(<100 Pa)で斜め衝突実験を行った。以下に実験条件をまとめる。衝突角度は天体衝突の最頻値である 45°に固定し、衝突速度を 4.4-6.8 km/s まで変化させた。弾丸、及び標的にはポリカーボネイト球(4.6 mmφ),銅板(10 cm x 5 cm x 2 cmt)を用いた。撮像速度は 100 ns/frame で行った。コマあたり撮像時間は、この実験条件での弾丸の接触・圧縮段階の特徴時間に比べて十分短く(~1/10)、弾丸の衝撃圧縮を直接観察することが可能である。
カメラ自体を 45°傾け、さらにあおりを加える こ と で 、 衝 突 面 (銅 標 的 面 )を 斜 め 上 か ら 見下ろす視点となるように調整した。
実 験 結 果 : 	 	  100ns/frame の 撮 像 結 果 に よ っ て 着 弾 直 後	 に弾丸の下部からは自発光を放つ成分が放出されることがわかった。この段階(着弾後~0.4µs)では弾丸の後端が無傷で残っている。これは弾丸の後端には衝撃波が到達しておらず、衝突の情報が弾丸全体には行き渡っていないことを意味する。超高速成分は、弾丸-標的の接触面から弾丸貫入中に放出されていることが明らかとなった。Image J を用いて画像処理を施し、下流方向成分の速度を計測した。まだデータは少ないが、衝突速度の増加に従って、Jetting 速度と衝突速度の比が小さくなる傾向にあること、この速度領域では下流方向成分の速度は、衝突速度の 2-3 倍に及ぶこと、放出後の速度は一定であることがわかった。	 	 
Impact jetting	  実験結果をもとに超高速自発光成分の起源

と、天然の衝突現象でも起こる現象か否かを考察する。弾丸の貫入中に標的との接触面から放出され、現象の中で最も強く加熱されてい る こ と か ら 、 超 高 速 自 発 光 成 分 は Impact
jetting [e.g., Walsh et al., 1953]と呼ばれる現象で生成されたものであることが決定づけられたと言える。Impact jetting は、物質内を伝わる衝撃波速度が弾丸と衝突面の接触点の移動速度を超えた場合に、接触面の狭い空間から物 質 が 吹 き 出 す 現 象 で あ る [e.g., Melosh,1989]。 局 所 的 に エ ネ ル ギ ー が 集 中 す る た め 、
極 め て 強 い 衝 撃 圧 縮 &加 熱 を 受 け る 。 先 行 研
究では発光分光解析と Jetting 理論の比較から、斜め衝突で生成される自発光プラズマはJetting によって生成されたものであることが指摘されていた [Sugita & Schultz, 1999]。理論的 に は Jetting 速 度 は 衝 突 速 度 の 数 倍 に 及 ぶ[e.g., Vickery, 1993]。	  球形状弾丸の衝突時には、標的面への貫入中に、弾丸と標的面の接触点の移動速度が次第 に 遅 く な る た め (接 触 角 が 時 々 刻 々 変 化 する た め )、 貫 入 中 の ど こ か の タ イ ミ ン グ でJetting が起こる。この現象は理想的にはサイズによらずに引き起こされる[Vickery, 1993]。
従って、衝突速度よりも高速で飛び出す下流
方向成分は天然の衝突現象でも起こり、最初に 述 べ た 惑 星 科 学 の 諸 問 題 に 対 し て Impact
jetting が重要な役割を果たしていた可能性が高 い 。 こ れ ら の 問 題 を 考 え る 上 で 、 Impact
jetting による超高速成分の生成は初期条件として重要であり、天然衝突現象に適用可能なJetting 理論が必要である。球形状天体の衝突を 取 り 扱 え る 理 論 モ デ ル は 存 在 す る が [e.g.,
Melosh & Sonett, 1986; Vickery, 1993]、室内実験によるデータを統一的に説明するには至って い な い [Vickery, 1993; Sugita & Schultz,
1999]。これは Impact jetting に対する詳細な実験研究がほとんど存在しないことが理由としてあげられる。例えば、球形状弾丸の斜め衝突時の Jetting 速度は Schultz による非公表データの１点の他は衝突角度が不明である 2 点[Gault et al., 1968]が存在するのみである。本
研究で示したように、コントロールした条件での Impact jetting の生成過程の直接撮像が技術的には可能となってきた。今後は系統的なデータをとりため、それを元に実験結果を矛盾なく説明可能な理論モデルの構築を目指す予定である。

参考文献:
1. Gault et al., Shock Metamorphism of Natural
Materials (Eds. French B. M. and Short, N.
M.), Baltimore, Mono, (1968).
2. Hamura et al., Lunar and Planetary InstituteScience

Conference

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8. Melosh, H. J. & Sonett, C. P., Origin of theMoon (Eds. Hartmann, W. K., Phillips, R. J.,
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Schmidt,R.

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10. Schultz, P. H. & Gault, D. E., GeologicalSociety of America Special Papers 247,239–262, Geological Society of America,(1990).
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16. Sugita, S. & Schultz, P. H., J. Geophys. Res.
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17. Vickery, A., Icarus 105, 441–453 (1993).
18. Walsh et al., Journal of Applied Physics 24,349–359 (1953).
※図はスライドを参照して頂きたい。