クレーター

クレーターとは、質量衝突によって作られる円形に窪んだ地形。英語のcraterに由来するが、英語の場合は衝突・火山活動・爆発・陥没など成因を問わず『円形に窪んだ地形』すべてを指し、質量衝突によるものは"impact crater"と表記される。

クレーターは典型的には、隕石・彗星・小惑星・微惑星などの天体衝突によって円形の盆地とそれを取り囲む円環状の山脈であるリムが形成される。実際にはさまざまな形態がある。天体衝突によるクレーターはAstrobleme}}、隕石によるクレーターは隕石孔とも表記される。

"crater"の語源はギリシャ語で「ボウル」「皿」を意味する語で、コップ座の学名はCraterで、同じ語源である。

1609年にガリレオ・ガリレイが、月面を天体望遠鏡で観察し、多数の円形の凹地を確認したが、ガリレオは「小さな斑点」と呼んでいる。

1. 概論
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クレーターにはさまざまな形があり、主に以下の要素により決定される。

天体の運動エネルギー。運動エネルギーは質量と相対速度で決まる。当然、運動エネルギーが大きいほど、クレーターは大きく、深くなる。
天体の入射角。極端に角度が浅いときは楕円形のクレーターができる。
表面重力。
大気の有無、あればその密度。
衝突地点の地質。
侵食の有無、性質、期間。エネルギーさえ同じであれば、重い天体がゆっくり衝突しても軽い天体が高速で衝突しても、組成が岩石でも氷でも、あるいは衝突でなく核爆発でも、ほぼ同じクレーターができる。入射角も影響せず、非常に浅い場合を除き常に円形のクレーターができる。クレーター研究の初期にはこのことが十分に理解されておらず、月のクレーターが全て円形であることが、それらの原因が天体衝突でないと主張する根拠にもなった。

2. 構造
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クレーター底 クレーターの内部の平らな部分。非常に小さなクレーターは、平らな底を持たない。 縁 クレーターの周囲を取り囲む盛り上がった部分。大きなクレーターでは山脈と認識される。 クレーター壁 クレーターの底から外部へ向かう時の急激な立ち上がり部分。縁の内壁。 中央丘 クレーター中央部に見られる丘状の凸部。大きなクレーターに見られることが多い。 光条 クレーターから放射状に延びる明るくアルベドの高い筋状の構造。月など大気のない天体に多い。 洪水溶岩 大型のクレーターの底が溶岩で埋まって平原となったもの。氷衛星では岩石の代わりに氷で埋まる。 2次クレーター 衝突の噴出物が落下したことによる2次的なクレーター。 堆積物 地球や火星では、底が堆積物に埋没することがある。

3. 形態
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クレーターはその直径によって異なった形態を示す。

最も小型のクレーターは、断面が単純なお碗形をしており、単純クレーターと呼ばれる。単純クレーターの直径と深さには比例関係があり、岩石天体の場合は直径のおよそ0.2倍、氷天体の場合は0.1倍の深さになる。

衝突の規模が大きくなるとクレーターの形態は複雑クレーターという埋め立てられた平らな底部を持つクレーターに変化する。このサイズのクレーターは中心に中央丘を持つことが多く、中央丘クレーターとも呼ばれる。クレーターの規模が大きくなると共に中央丘はより顕著になり、次第にリング状の構造を示しはじめる。このようなクレーターは中央リングクレーターと呼ばれる。さらに、最大規模の衝突では同心円状の複数のリング構造を持った多重リングクレーターが形成される。

クレーターの形態はある一定の直径を境に単純クレーターから複雑クレーターに変化するが、その値は月の場合は15 - 20km、水星では10km、火星では5km程度である。重力が強い天体は一般的に複雑クレーターが形成されやすくなる。また、地表を構成する物質の性質によってもこの値は変化し、氷天体では同程度の重力を持つ岩石天体と比較して複雑クレーターが形成されやすい。

なお、隕石が非常に浅い角度で衝突すると、楕円状や涙滴状のクレーターが形成される。地球ではアルゼンチン・コルドバ州のリオクアルトクレーターが知られており、月の豊かの海にあるクレーター、メシエや火星のクレーターOrcus Pateraもその一例である。

4. 成因論
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クレーターの成因については、様々な説が唱えられた。1787年にウィリアム・ハーシェルはクレーターは火山の火口であるという論文を発表した。それに対し、1829年にフランツ・フォン・パウラ・グルイテュイゼンは、クレーターは天体の衝突によって生じたという説を発表した。

当初は火山説の方が有利であった。これは、

月のクレーターはほとんどが円形であるが、泥に石などを衝突させる実験などでは真上からの衝突で無い限り楕円形のクレーターしかできないこと。
月の海にはクレーターがあまり存在せず、分布に著しい地域性があること。これは地球の火山帯に対応していると考えられた。
クレーターの重なり方が大きなクレーターの上に小さなクレーターが重なっているものばかりであり、これは徐々に月の内部が冷却して火山活動が弱まっていった結果として説明しやすい。などが理由としてあげられる。

1960年頃から、地球のクレーターで隕石の衝突を裏付ける高圧で変成された岩石が発見されたり、アポロ計画での月面で採取された試料の分析が行われたり、より正確な衝突条件を反映した高速衝突実験が行われて、衝突説を支持する結果が多く得られた。現在では月のクレーターの大部分は衝突によって生じたものと考えられている。

上記の火山説を支持する証拠に対しては

当時の衝突実験では衝突させた石の速度は、隕石の月面に対する相対速度よりもはるかに遅く、実際に起こっている衝突を反映しているものとは言えない。高速衝突実験においては衝突時の衝撃波で衝突物の直径の10倍以上の範囲の地面が掘削されてクレーターは円形となることが分かっている。楕円形のクレーターは入射角が10度以下になるような限られた場合しかできない。
アポロ計画で採取された岩石の年代測定の結果、月の海ができた時期は衝突が多数起きた時代よりも新しい。
重なり方の傾向は、小さなクレーターの上に大きなクレーターを作る衝突が起こると衝突による地殻変動が周辺にも及び小さなクレーターの構造は完全に破壊されてしまうためと考えても説明可能。と反論できる。

衝突説を支持する証拠としては以下のようなものがある。

アポロ計画で採取されたクレーター周辺の石から高圧で変成された岩石が見つかっている。
アポロ計画で採取された石から直径1mm以下のクレーターが見つかっている。
大きなクレーターでは月全体に噴出物が撒き散らされているが、月の質量ではそのような規模の爆発を起こすだけの火山を生成できない。
月の岩石から生成する溶岩の粘性は地球上のそれに比べて著しく低いために、火口には明瞭な盛り上がった縁ができない。
クレーターが円形であるにもかかわらず、一方向だけに光条が延びる現象は斜め方向からの高速衝突実験で確認されている。
月のクレーターの直径と深さの間には一定の関係式が成立する。地球上の衝突で作られたクレーターでも同じ式が成り立つ。

5. 天体ごとの様相
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5.1. 月
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月のクレーターの大部分は38億年前よりも以前に作られたものである。その頃にはまだ太陽系内に多数の微惑星が残っていたために大きな衝突が何度も繰り返された。地球の表面では大気や水によって侵食やプレートテクトニクスによる海洋底の更新があるためその痕跡が残っていないが、月では大気や水が存在しないためクレーターがそのまま保存されている。

しかし、昼と夜の大きな温度差による熱膨張・収縮の繰り返しや太陽風の衝突によってわずかずつではあるが風化は進行する。また、宇宙空間からチリが降下し少しずつ降り積もっている。そのため、新しいクレーターでは縁がはっきりしており光条が延びているが、古いクレーターでは縁がはっきりしなくなり光条が失われている。

月面には月形成直後からの多くの衝突クレーターが姿を残しており、表側だけでも直径1km以上のクレーターは30万個以上と見積もられている。大きなものではヘルツシュプルングクレーターの直径536kmから、小さなものではアポロ計画で持ち帰られた月の石に残されていた顕微鏡サイズのクレーターまでと様々である。国際天文学連合で登録している直径60メートル以上の名前が付けられているクレーターは1559個あり、直径10km以上のものでも1395個、100km以上のものでも199個ある。また盆地や海と名付けられた部分は天体衝突によって形成されたと考えられており、月の裏側の南極エイトケン盆地は直径2500kmに及ぶ。

月のクレーターの研究から41億年前から38億年前にかけて多くの天体衝突が起きたと想定され、同様に地球でも天体衝突が多く起きているとみなされてきた。月のクレーター形成史から、地球誕生後の数億年の地球の状態が推察されるようになった。

5.2. 地球
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地球と比べて直径が27%で表面積が7%と小さい月に多くの隕石衝突クレーターが形を残していることから、地球にも月と同様の率で隕石衝突があったものと思われるが、現在確認・公認されている衝突クレーターは直径10メートルから160キロメートルのもので182個である。その内120個は露出しており、59個は埋もれている。残り3個に関しては露出状況不明と記されている。露出していない62個の内53個はボーリング調査が実施された。

地球に落ちる隕石の大きさがそれほど大きくなくても巨大なクレーターができる。クレーター径は隕石の直径の約10倍と見積もられており、周囲5km大きさのクレーターはクレーターとしてはかなりの大きさだが、それを作った隕石の大きさは直径約500mでしかない。

現在までに地球上のクレーターは100個以上確認されているが、大部分は侵食や地殻変動により地表からは痕跡すら消えてしまっている。隕石由来のニッケル、金などを多く含むことがあり、世界最大の鉱山を形成している場合もある。このため有望な鉱脈を発見する手がかりとしてクレーター探しも行われ、また地質の構造調査によってクレーターが確認される例も少なくない。

フレデフォート・ドーム
サドベリー隕石孔