レーザー変位計を用いたその場計測による衝突クレーター形成過程 の

レーザー変位計を用いたその場計測による衝突クレーター形成過程
の物理的解明
山本 聡 1、長谷川直 2、鈴木絢子 2、松永恒雄 1
1
国立環境研究所, 2JAXA
1. はじめに
固体天体地表における卓越地形の一つである衝突クレーターの解析を行うため、これまで数多くの衝突
クレーター形成実験が行われていきた(see, Melosh 1989)。一方、これらの研究の多くでは、衝突素過程
をブラックボックス的に捉え、実験後に回収されたターゲットのクレーターの最終形状の測定を行い、そ
れらのデータを統計的に解釈するという方法が用いられてきた。その為、例えば衝突クレーター形成に対
するスケーリング則の衝突速度依存性や標的物性値依存性などが、よく分かっていないのが現状である。
そこで本研究では、クレーター形成過程のその場観測を行い、その物理的解釈に基づいてスケーリング則
を再考することを大きな目標としている。
過去に行われたクレーター形成過程のその場観測手法として、レーザーを用いた方法が提案されている
(Yamamoto et al. 2006a; Barnouin-Jha et al. 2007)。またこのその場観測手法により、重力支配域にお
ける衝突によって生じる掘削物質の流動(掘削流)の物理特性の定量的測定が行われ、それを基にした掘
削流モデル式が提案されている (Yamamoto et al. 2009)。しかし、これらのレーザーを用いた実験は、弾
丸の衝突速度が約 0.3km/s 以下の低速度領域で行われたものであった。一方、実際の地球型惑星で起こる
天体衝突は数 km/s〜数 10km/s を超える高速度衝突であることから、掘削流モデル式についての衝突依存
性を明らかにすることが重要である。
そこで本研究では、宇宙科学研究所の大学共同利用施設である超高速衝突実験施設に設置されている新
型の縦型二段式軽ガス銃(以下では JAXA 縦型銃と呼ぶ)を用いて、衝突速度数 km/s 以上での粉体標的に
対する高速度衝突実験を行い、レーザー変位計を使って掘削流のその場観測を行った。
2. 測定手法と実験条件について
2.1. 高速衝突クレーター実験
JAXA 縦型銃は弾丸を最大約 7-8km/s まで加速することができ、大きさΦ150cm×200cm の真空チャンバ
ーに垂直に設置されていることから、重力支配域を模擬した粉体標的に対する高速衝突実験を行うのに適
している。今回弾丸はポリカーボネイト(質量 0.06g、直径 4.76mm)を使用。また、ターゲットとして、
内径 42cm の容器にいれられた乾燥硅砂5号(東北硅砂データ:平均粒径約 510µm、バルク密度 1490〜
1620kg/m3)を使用した。青木(2014)等によりこの砂の内部摩擦角は約 31°、固着力は 30Pa であると報告
されている。衝突実験は全て真空条件 20Pa 以下で実施。今回行った実験条件を表1にまとめた。
2.2. レーザー変位計によるその場観測手法
図 1 にレーザー変位計による掘削過程のその場観測手法の概要図を示す。この方法では、JAXA 縦型銃に
より加速された弾丸を粉体標的に垂直衝突させ、衝突によって形成される掘削領域の形状を、レーザー変
位計を用いて測定する。このレーザー変位計(Keyence 超高速インラインプロファイル測定器)は数 10cm
領域での一次元プロファイルを 1〜2kHz のサンプリングレートで連続取得することが出来るため、高速ビ
デオカメラを使う事無く、掘削過程の時間発展を非接触で測定できるという特長を持つ。また、レーザー
変位計は標的の上面に垂直に設置されていることにより、放出物に視界を遮られない位置関係になってい
る(図 2)
。このレーザー変位計により掘削領域の形状を各時間において測定し、衝突前の表面における掘
削領域の直径 Dap を、衝突からの時間 t の関数として測定する。
なお、レーザーは形成される衝突点から一同径方向に対してのみ測定がなされるため、Dap の決定におい
てはクレーター形状の軸対称性が仮定される。この場合、弾丸着弾点の中心位置の決定が重要である。そ
こで、毎回 shot を行う前に標的表面に上方からレーザー光を当て、レーザースポット中央に弾丸を手動で
設置し、レーザー変位計を使って着弾予想点を決定した。この決定においては、shot 毎に測定した着弾中
心測定値について平均値をとり、そのばらつき(今回の解析では約 2mm)を Dap の決定時の誤差として取
り扱った(結果として、軸対称を仮定するので、Dap の見積りに±2mm の誤差が生じることになる)
。
またレーザープロファイルのサンプリングレートは 2kHz とした。一方、サンプリングレート間隔内に
おける標的表面に着弾した正確な時間を知ることは難しい。そこで、衝突による擾乱がプロファイルデー
タの中で確認された最初の時間を t=0.25 ms とし、さらに時間に対する不定性(つまり誤差)を±0.25ms
とした。
最後に、補助情報として、衝突クレーター形成の横からの様子について高速ビデオカメラを使って同時
に撮像した。高速ビデオカメラの設定条件としては、128 コマ/秒とした。ただし、この高速ビデオカメラ
は、主に実験の様子を確認するためのものであり、以下の解析では高速ビデオカメラによる測定データは
使用していない。
3.結果
3.1. クレーター径とπスケーリング
生成されたクレータサイズについて表1にまとめた。合計 15 回実験を行い、衝突速度 vi は約 0.88〜
6.3km/s、最終クレーターのリム径 Drm は 110〜210mm であった。これらの Drm について無次元クレーター半
径と無次元エネルギーの関係(e.g. Holsapple, 1993)に換算した結果を図 3 に示す。これより、無次元ク
レーター半径は無次元エネルギーに対してべき乗分布を示していることがわかる。本実験及び予備実験デ
ータに対してべき乗関係式でフィットした場合、冪指数は-0.170±0.004 であった。このべきの傾きは、
過去の標準スケーリング関係式(図中の直線)
(Schmidt & Housen 1987)の傾き(冪指数 0.17)と一致す
る。
一方、低速衝突(vi =11〜329 m/s; Yamamoto et al. 2006b)の結果と比べると、ガラスビーズを標的とし
た場合のトレンドよりもクレーター径が小さくなるが、同実験の乾燥砂(dry sand)のトレンドより大き
なクレーター径となっている事がわかった。
3. 2. 掘削キャビティーのプロファイル測定
図 4 に Shot 2-9 における衝突からの時間 t=0.7, 7.7, 78.8 ms でのプロファイルのスナップショット例
を示す。これより、衝突による掘削領域(キャビティー)が時間とともに広がり、また放出物カーテンが
横方向に広がり、最終的にクレーターリムが形成される様子が捉えられているのが分かる。
図 5 に、断続的時間発展の様子をまとめた(表示サンプリング時間は、時間について対数表示した時に
等間隔になるように選定した)。衝突速度が早い場合(例えば、Shot 2-5)、衝突直後では擾乱が酷いため
キャビティーをきれいに捉えることが難しく、例えば深さ方向の初期段階の時間発展の情報を捉えるのは
難しい。一方、元の表面付近のキャビティーのプロファイルは、高速衝突であっても多くの場合断片的に
捉えることができている。このことから、プロファイルデータを使った Dap の時間発展の測定は、衝突直後
の初期時間であっても可能であることがわかった。
3. 3. 掘削キャビティーの直径の時間発展
図 6 に、全実験結果について Dap と t の関係をプロットした。これより衝突直後から t〜0.03 s くらいま
で、Dap は t に対してほぼべき乗則で増加しているのが分かる。一方 t〜0.03 s 以降では Dap の成長率が時
間とともに減衰し、t〜0.1-0.2 s 以降は一定となっている。これは t〜0.1-0.2 s 以降ではキャビティー
の成長が止まっていることを意味する。つまりクレーター形成は約 0.1-0.2 s 後に終了したことを意味す
るが、これはクレーター形成典型時間 Ttp=(D/g)0.5 〜0.1-0.2 s と調和的な結果である。その後、崩壊過程
における Dap の顕著な増加は見られなかった。また、衝突速度が高くなると、同じ時間における Dap が大き
くなるが、時間発展のパターン(初期段階はべき乗則で増加し、その後増加率が減衰するパターン)に違
いは見られなかった。一方、衝突速度が高くなると、全体的な傾向が上にシフトしている。
4.考察:Z モデルによる評価
Yamamoto et al.(2009)では、Maxwell (1977)の Z モデルを基にして、過渡クレーター形成までの Dap の
時間発展に対して次の掘削流モデル式が提案されている:
ap () = (1 −  − )
・・・・・(1)
ここで、βは減衰率、 = 1/( + 1)、Z は Z モデルにおける掘削流速度場の距離に対する減衰率、A は比例
定数である。この式(1)使って、今回の結果でのβ、γ、Z の値を求めることで掘削流の物理的特性を定量
化する。図 7 に時間発展に対して式(1)によるモデルフィットを行った結果例を示す。
図 8(左)にγ(および Z)と衝突速度 vi の関係についてプロットした結果を示す。この図より、減衰率
γについて、2km/s を境として値に違いが見られることがわかった。例えば、vi =2 km/s 以下では、いずれ
のγの値も 0.34 から 0.38 である(対応する Z 値は約 1.7 から 1.9)
。一方、vi =2 km/s 以上では、いずれ
のγの値も 0.30 から 0.34(対応する Z 値は約 2〜2.5)であり、vi =2 km/s 以下の結果と比べてγ値が小
さい(Z 値で言えば大きい)
。また、Yamamoto et al. (2009)の vi <0.3 km/s の結果はいずれもγ>0.34 で
あり、本実験の vi <2 km/s の結果と調和的である。つまり vi <2 km/s ではγ>0.34(Z<2)であるが、vi >2
km/s ではγ<0.34(Z>2)であることが分かった。つまり、高速衝突による掘削流の速度場の距離に対する
減衰率は、低速衝突の場合に比べて大きいということを意味する。
次に、減衰率βについて衝突速度 vi に対してプロットした結果を図 8(右)に示す。同様に vi =2 km/s
を境として、減衰率の値に違いが見られ、高速衝突(vi >2 km/s)は低速衝突に比べて減衰率が小さいとい
う事がわかった。一方、Yamamoto et al. (2009)では、β値は標的種類によって大きくばらついているお
り、その主たる原因は物性値の違いによるものと解釈されていた。しかし、本実験結果より、βは物性依
存性だけでなく、速度依存性を示す可能性があることもわかった。
一方、γおよびβの衝突速度依存性については、vi =2 km/s を境に値が変わっているのではなく、全体
的な傾向として衝突速度に対して負の相関がある可能性も考えられる。今後データ点を増やしこの速度依
存性についてさらに調べることが重要と考えられる。
5.まとめと今後
・
・
・
・
今回の測定により、キャビティーの時間発展の挙動について速度依存性があることがわかった。

衝突速度 2 km/s 以下では、γ値は>0.34(Z 値は約 1.9 以下)であり、逆に 2 km/s 以上では、
γ値はγ<0.34 であった(Z 値は約 2 以上)
。この結果は、Yamamoto et al. (2009)の vi <0.3 km/s
の結果(γ>0.34)と調和的である。

これは高速衝突の場合、掘削流の速度場の距離に対する減衰率が、低速度衝突に比べて大きく
なることを意味する。
減衰率βにおいても、vi =2 km/s を境にして、値の違いが観測された。

高速衝突(vi >2 km/s)は、低速衝突に比べて減衰率が小さい。
ただし、vi=2km/s で違いがあるのか、vi=0.8-6km/s の範囲で負の相関があるのかについて今後追加
実験を行い調べることが重要である。
また vi=0.3-0.8km/s でどうなっているのかについても調べていくことが重要である。
表1:実験条件
最終リム直径
最終アパレ
(ノギス計測) ント直径(本
手法)[mm]
[mm]
138
108
210
170
210
169
202
164
193
148
165
131
146
116
139
111
111
88
114
87
113
92
110
89
高速カメラ
による撮像
SHOT 番号
実験ノート番号
衝突速度
[m/s]
SHOT 2-1
SHOT 2-2
SHOT 2-3
SHOT 2-4
SHOT 2-5
SHOT 2-6
SHOT 2-7
SHOT 2-8
SHOT 2-9
SHOT 2-10
SHOT 2-11
SHOT 2-12
SHOT
1-1
SHOT
予備実験
1-2
SHOT
1-3
150114-1405
150114-1513
150115-0844
150115-1028
150115-1131
150115-1316
150115-1408
150116-0834
150116-0929
150116-1034
150116-1125
150116-1352
1696
6031
6250
5030
4355
2820
2112
1655
909
997
976
888
真空
条件
[Pa]
20
7
6
6
4
5
4
3
5
5
6
5
141007-0957
1620
11
134
105
◯
141007-1152
2684
6
153
124
◯
141007-1356
2320
19
154
120
◯
なし
なし
◯
◯
◯
◯
◯
◯
◯
◯
◯
◯
レーザー変位計
弾丸
レーザー変位計
レーザーと標
的の接線
粉体標的
粉体標的
衝突前
クレーター形成時
図 1:レーザー変位計によるその場観測手法の概要図。
図 2:レーザー変位計とターゲットの位置関係。レーザー変位計はターゲット表面に対して、垂
直に設置されている。衝突点からの変位計の前面ガラスまでの距離は約 25.5cm である。
図 3:無次元クレーター半径と無次元エネルギーの関係。青丸が本実験の結果、赤丸が予備実験
の結果(最終クレーターリム直径;ターゲット密度を 1540 kg/m3 と仮定)。緑の直線は、本実験
及び予備実験データに対してべき乗関係式でフィットした場合(冪指数は-0.170)。その他のデ
ータは Yamamoto et al. (2006b)。
図 4:Shot 2-9 (vi=909 m/s)の場合における、t=0.75, 7.75, 78.75ms におけるプロファイル
のスナップショット(赤線)。黒の水平線は衝突前の標的表面のプロファイル。横軸 48-50mm 辺
りの「U」形状が弾丸着弾点を示す。
図 5:プロファイルの時間発展の様子。黒の水平線は衝突前の標的表面のプロファイル。横軸の
値 48-50 mm 辺りの灰色の“U”が着弾点を示す。
(左)Shot 2-12 (vi=888 m/s)と(右)Shot 2-5
(vi=4355 m/s)の場合。
図 6:掘削穴の時間発展。煩雑を避けるため、エラーバーはここではつけていない。
図 7:掘削穴の時間発展。(左) Shot 2-12 (vi=888 m/s)と(右)Shot 2-5 (vi=4355 m/s)。
図 8:(左)冪指数γおよび対応する Z 値と衝突速度の関係。(右) 減衰率βと衝突速度の関係。
比較として低速度衝突結果(Yamamoto et al. 2009)の結果も示した。
参考文献
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2007.
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Netherlands, 2006a.
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direct observations, Icarus, 203, 310-319, 2009.