Hypervelocity impact craters
in ammonia rich ice
I.D.S. Grey and M.J. Burchell Icarus 168 (2004) 467-474

担当: 福崎 翔（東大・新領域 M2）
衝突勉強会 2009. 12. 15

E-mail: shofukuzaki@astrobio.k.u-tokyo.ac.jp

発表の流れ1. Introduction-研究へのアプローチ-先行研究紹介-研究目的
2.実験-実験内容、手法-実験結果-実験データ解析
3.考察
4.まとめ

Introduction☆cometがNH3を多く含む (i.e., NH3/H2O ~ 1－2 vol%)(e.g., Lunine and Gautier, 2004)☆冥王星衛星カロンがNH3を多く含む(e.g., Brown and Calvin, 2000)

Cassini-Huygens 探査 (~2004)☆エンセラダスのplume内でNH3観測(NH3/H2O ~ 10-2 vol%)(Waite, J. H. et al., 2009)

NH3 ice は太陽系内氷天体に多く含まれる☆タイタン表層でNH3観測?? (Nelson, R. D. et al., 2009)
・タイタン表層はヘイズによって観測困難

タイタン表層にあるNH3 の正確な量の見積もりは不可能??
H2OにNH3 が混合⇒ 衝突クレーター形状が変化??
タイタンのクレーターの形状⇒タイタン表層のNH3の含有率??

先行研究☆CO2 iceへの衝突実験(Burchell et al., 1998)

・CO2 iceとH2O iceの衝突クレーターの比較⇒CO2 ice のほうがクレーター小☆NH3-H2O ice (Ammonia-Hydrate)への衝突実験(Grey et al., 2001)

混合比 (50:50 [wt%]; 固定)
・H2O iceとの衝突クレーターの比較※NH3の混合比を変えた研究は無い(少なくとも2004年までは)

研究目的
濃度の異なるNH3-H2O ice への衝突実験
・クレーター直径が変化??
・クレーターの深さが変化??
・クレーターの形状が変化??

☆アンモニア混合によりクレーター形状変化??
☆アンモニア濃度によって形状変化??

発表の流れ1. Introduction-研究へのアプローチ-先行研究紹介-研究目的
2.実験-実験内容、手法-実験結果-実験データ解析
3.考察
4.まとめ

実験
※H2O: 蒸留水
☆Target: NH3-H2O ice(NH3濃度: 0, 15, 20, 25, 30, 50 [wt%])
・Target表面は常に平面に保たれる (応力最小)(Burchell et al., 1996)

・Target; 円筒形 深さ8 cm 直径 18cm
(液体窒素によりTarget 温度は 130 K以下に保たれる)☆Projectile: 直径1mmのステンレス球

衝突実験☆Projectile の加速: 二段式軽ガス銃(the University of Kent)
・衝突角度角度: 全 shot 垂直衝突
・衝突速度: 4.9±0.1 km/s (49±0.2 J)- 強度支配域
測定法: projectile の経路に2つのlaser light curtains
・Target chamber内圧力: 78±2 Pa
・衝突時のtarget表面の平均温度 (152±10 K)

実験結果

・クレーター直径 (CD): 2D画像に円をfitting
・クレーター深さ (Cd): 深さ方向の断面を測定(1 or 2 mm 間隔)
・クレーター体積 (Vc): 体積既知のglassビーズを敷き詰めて計測
・Cc = Cd / CD (深さ / 直径)解析結果①

純H2O ice

profile (mm)・クレーター中央にpit (central pit) & rim は見られない・広いterraceを持つ
Target の物質強度が低いとき⇒ H2O iceの典型的な形状 (e.g., Burchell et al., 1998)

NH3濃度10 wt%
・central pit が純H2O ice同様見られる
・純H2O ice 同様rimは見られない・terrace が純H2O iceと比較して顕著には見られない

NH3濃度 15 wt%
・central pit が微妙に見られる (ほぼ平らなpit)
・純H2O ice & NH3濃度10 wt%同様rimは見られない・terrace は辛うじて見られる⇒ terrac & pitの区別は困難

(e.g., Lunine and Gautier, 2004)

NH3濃度 20 (25), 50 wt%
・rim & central pit & terrace 見られない⇒ クレーターの淵から中央まで滑らかに変化

解析結果②

クレーター直径 (CD)vs アンモニア濃度
相関関数 大 (0.87)2次多項式でfit をしているが、純H2O ice以外 (NH3濃度10 wt%以上)⇒ クレーターの直径はほぼ一定
CDの平均値: 62.9 ± 3.8 (点線)

クレーター深さ(Cd)vs アンモニア濃度
相関関数 大 (-0.68)

・NH3の濃度に依らずクレーターの深さはほぼ一定となる
Cdの平均値: 11.0 ± 1.6 (点線)

クレーター体積 (Vc)vs アンモニア濃度
相関関数 小 (0.38)
・NH3の濃度に対しクレーター体積はばらつきが大きい
最も回帰曲線から外れたデータ点を除く⇒ 相関関数 0.62 (点線) (実験条件に異常なし∴無理)☆NH3濃度増加 ⇒ 体積の増加は無い (減少傾向)

深さ / 直径 (Cc)vs アンモニア濃度
相関関数 小 (0.22)

相関が小さい⇒ Cc はアンモニア濃度に依存しない⇒ クレーターの形状は体積変化による?
Ccの平均値: 0.16 ± 0.03 (点線)
※ 他の物質 (花崗岩)の値に類似

発表の流れ1. Introduction-研究へのアプローチ-先行研究紹介-研究目的
2.実験-実験内容、手法-実験結果-実験データ解析
3.考察
4.まとめ

考察①
NH3-H2O ice の物質強度 ⇒ 純H2O ice の 1/10－1/20(アンモニア濃度増加に伴い物質強度は小さくなる)(Lorenz and Shandera, 2001)

物質強度 小 ⇒ クレーター体積 大??
しかし、実験結果よりアンモニア濃度増加 ⇒クレーター体積減少
粘性の効果が原因??
粘性増加 ⇒ クレーター体積減少(Fink et al., 1984)

アンモニア濃度増加に伴い粘性が増加 ??

考察②☆NH3が含まれるとクレーター体積にどれぐらい影響??
他の物質と比較
純CO2 ice ⇒ 純 H2O ice の 1/ 1.3倍

(Burchell et al, 1998)

シリケイト(20%)-H2O ice ⇒ 純 H2O ice の 1/ 6倍(Koschny and Grun, 2001)

NH3 (50 wt%)-H2O ice ⇒ 純 H2O ice の 1/ 1.5–1/2 倍
CO2 < NH3 < シリケイト

発表の流れ1. Introduction-研究へのアプローチ-先行研究紹介-研究目的
2.実験-実験内容、手法-実験結果-実験データ解析
3.考察
4.まとめ

まとめ
☆濃度の異なるNH3-H2O ice への衝突実験
・クレーター直径が変化?? ⇒ ほぼ一定
・クレーターの深さが変化?? ⇒ ほぼ一定
・クレーターの体積が変化??
⇒ アンモニア濃度増加 → クレーター体積減少

アンモニア濃度によって形状変化??
クレーター体積変化 ⇒ クレーター形状変化