宇宙塵スフェリュールの3次元外形:
コンドリュールとの比較と衝撃波モデル
土`山 明(阪大理)、矢田達(Academia Sinica)、野口高明(茨城大理)、
中野 司(AIST)、上杉健太朗(JASRI)
THREE-DIMENSIONAL SHAPES OF COSMIC SPHERULES :
COMPARISON WITH CHONDRULES AND SHOCK WAVE MODEL
A. Tsuchiyama1, T. Yada2, and T. Noguchi3, T. Nakano4 and K. Uesugi5
1Department
of Earth and Space Science, Osaka University
Laboratory for Space Sciences Physics Department, Washington University
3Department of Material Sciences and Biological Sciences, Ibaraki University
4Institute of Geoscience, NIST, 5SPring-8, JASRI.
2
MOTIVATION
・ コンドリュールの成因として衝撃波加熱が有力である
・ 宇宙塵スフェリュールは地球大気圏突入時に衝撃波加熱によって生成された
球粒物質である
・ 宇宙塵スフェリュール形成はコンドリュール形成の天然アナログ実験か?
マイクロトモグラフィーによって得られたコンドリュールの3次元構造
fission
Chondrule shapes
a
Porphyritic chondrule
Barred olivine chondrule
Cryptocrystalline chondrule
1
0.95
sphere
-1
prolate
0.9
p=0.9
-0.5
flattening
by rotation
0.85
-0.2
0.8
0.8
log(n)=0
0.7
0.7
c
shape instability
0.2
by rotation
0.75
0.6
0.5
0.75
コンドリュールの3次元構造
(Tsuchiyama et al., 2003)
・外形・内部組織は溶融コンドリュール
の回転によって説明できる
・高速回転 (100-500 rps)
衝撃波溶融モデルと矛盾しない
0.8
0.85
B/A
0.5
0.9
・3軸楕円体近似
a-, b-, c-軸
軸長: A≥B≥C
1
0.95
0.7
1
oblate
本研究
・宇宙塵スフェリュール
衝撃波溶融により形成された球粒
・その3次元構造は?
コンドリュールとの比較
コンドリュール形成プロセスへの応用
宇宙塵スフェリュールサンプル
• サンプル:NIPRのAntarctic micrometeorite collection
• 43個の宇宙塵スフェリュールをCT撮影
SPring-8:BL47XU, BL20XU
空間分解能:~1μm(画素サイズ:0.5 or 0.23 μm)
photon energy:10-15 keV
• 22個の宇宙塵スフェリュール(compound, いびつなものを除く)の
外形をコンドリュールと比較
SP-mCT (Uesugi et al., 2001) @SPring-8
Prolate and oblate spherules
Prolate
Dunbbell-shaped
Oblate
Prolate spherule (113.1 mm)
11
4
7
50.0%
18.2%
31.8%
Dumbbell-shaped (116.5 mm)
Oblate spherule (167.5 mm)
Textures
BO*
CC or GL
P**
Dendritic magnetite***
14
11
17
1
37.2%
20.9%
39.5%
2.3%
* 一部のものは、Taylor et al.(2000)のCAT (Ca,Al,Ti-rich spherule)?
** 一部のものは、Taylor et al.(2000)のRGB (relic-grain-bearing spherule)?
*** Type-G?
BO
cut/182.tif (width: 113.16 mm)
5040041 (040615c)
GL
cut/290.tif (width: 246 mm)
NN6 (040213f)
P
cut/163.tif (width: 83.49 mm)
5040223 (040616i)
Compound spherules
Spherules with glass caps
鏡下ではnon-compound
CTでcompound
小さなspheruleが付着
それ以外
NJ6 (031205g)
2
41
18
5
13
cut/145.tif (width: 160.5 mm)
43.9%
12.2%
31.7%
Compound spherules
Spherules with glass caps
鏡下ではnon-compound
CTでcompound
小さなspheruleが付着
それ以外
NB5 (031205d)
2
41
18
5
13
cut/20.tif (width: 184 mm)
43.9%
12.2%
31.7%
Compound spherules
Spherules with glass caps
鏡下ではnon-compound
CTでcompound
小さなspheruleが付着
それ以外
ND6 (031205e)
2
41
18
5
13
cut/190.tif (width: 168.5 mm)
43.9%
12.2%
31.7%
Porous spherules
空隙を多く含むもの
多孔質(すべてP)
大きなクレータをもつ
14
11
3
cut/84.tif (width: 122.59 mm)
T0310040 (040616j):
32.6%
25.6%
7.0%
Porous spherules
空隙を多く含むもの
多孔質(すべてP)
大きなクレータをもつ
14
11
3
cut/86.tif (width: 130 mm)
NC5 (031204i)
32.6%
25.6%
7.0%
3-D shapes of cosmic spherules vs. chondrules
Porpyritic chondrule
Barred olivine chondrule
Cryptocrystalline chondrule
3次元外形の特徴
・アスペクト比の1に近いグループ (p>0.8)
oblate が主
spherule ~ chondrule
・アスペクト比が0.6<p<0.8のグループ
prolate が主
spherule > chondrule
・アスペクト比が0.3-0.4のグループ
dumbbell-shaped
spherule のみ
Porphyritic spherule
Barred olivine spherule
Cryptocrystalline spherule
C_B-B_A
1
0.9
p=0.9
-1
0.8
0.7
0.8
0.7
-0.5
0.6
(1) 両者は類似の3次元外形
類似の形成メカニズム?
(衝撃波溶融)
(2) Prolate, dumbbell-shaped の存在
高速回転を強く示唆
0.6
-0.2
0.5
0.5
log(n)=0
0.2
0.4
(3) Prolate: spherule > chondrule
0.3
Dumbbell-shaped spherule
0.3
宇宙塵スフェリュールの方が高速回転
0.4
0.5
0.4
0.5
0.6
0.7
B/A
0.8
1
0.9
0.3
1
Rotation rates of oblate spherules
Oblate chondrules and spherules
Porphyritic chondrule
Barred olivine chondrule
Cryptocrystalline chondrule
Porphyritic spherule
Barred olivine spherule
Cryptocrystalline spherule
1500
A-p
Susa and Nakamoto (2002)
の衝撃波加熱モデル
による最大回転速度
(ram pressure の不均一)
50 rps
100 rps
1000
175 rps
200 rps
500
495 rps
500 rps
5500 rps
0
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
Aspect ratio, p
遠心力と表面張力との釣り合い → 回転速度の推定
アスペクト比と赤道半径 → 回転速度:>1000 rps
3-D shapes of cosmic spherules vs. chondrules
3次元外形と組織
・アスペクト比の1に近いグループ(p>0.8)
oblate が主
Spherule: P(porous) >> BO,CC
Chondrule: P > BO,CC
・アスペクト比が0.6<p<0.8のグループ
prolate が主
Spherule: BO >> CC,P
Chondrule: P
・アスペクト比が0.3-0.4のグループ
dumbbell-shaped
Spherule: P, BO
Porpyritic chondrule
Barred olivine chondrule
Cryptocrystalline chondrule
Porphyritic spherule
Barred olivine spherule
Cryptocrystalline spherule
C_B-B_A
1
0.9
p=0.9
-1
0.8
0.7
0.8
0.7
-0.5
0.6
(1) Oblate spherule は P(porous) が、
prolate spherule はBO が多い
(2) BO chondrule は oblate、
prolate chondrule は P
0.6
-0.2
0.5
0.5
log(n)=0
0.2
0.4
0.4
0.5
BO chondrule
with p~0.6
(Norton, 2002)
oblate → torus?
0.3
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
B/A
0.8
1
0.9
0.3
1
Chondrule formation by shock wave melting
Cosmic spherule 形成モデル
Yada et al. (1996)
I-type spherules
高度、角度: 200 km, 45o
突入速度: 12 km/s
粒子半径: 0.1 mm
Fe融点(1822 K)到達時
90.7 km, 11.8 km/s
高度、角度: 200 km,
突入速度: 18 km/s
粒子半径: 0.5 mm
Fe融点(1822 K)到達時
97.7 km, 17.9 km/s
77o
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
Shock wave heating model by Susa and Nakamoto (2002)
40 km
a = 0.1 mm
evaporated
80 km
1 AU
melted
100 km
2 AU
-7
3 AU
not melted
10
60 km
acrit = 0.1 mm
-8
5 AU
120 km
10 AU
高度: 200 km
突入速度: 50-70 km/s
高高度(低密度大気)で衝撃加熱?
10
150 km
-9
Minimum mass solar nebula midplane
10
200 km
-10
5
6 7 8 9 10
20
shock velosity [km s-1 ]
30
Comparison of cosmic spherules with chondrules
類似点
・ サイズ(直径:0.1-1 mm)
・ 3次元外形の特徴(oblate, prolate、cosm-sph は dumbbell-shaped も存在)
→高速回転、共通の形成プロセス(衝撃波加熱)?
・ Compound chondrules and cosmic spherules の存在
相違点
・ 組織(chond: P>>BO,RP,CC、cosm-sph: BO,P,GL+CC (RP absent))
→最高到達温度:chon < cosm-sph(蒸発変成(Taylor et al., 2000))
・ 同位体質量分別(chond: なし→蒸発少/再凝縮、cosm-sph: あり→蒸発多)
・ 外形(chond: oblate > prolate、 cosm-sph: oblate < prolate, dumbbell)
→衝撃の程度:chon < cosm-sph
・ 外形+組織(chond: oblate BO,P - prolate P、cosm-sph: oblate P - prolate BO)
・ voids(chond: 少量存在、cosm-sph: 少量~多量に存在→含水珪酸塩の加熱発泡)
・ oblate shape より推定した回転速度: chond < cosm-sph
→衝撃の程度:chon < cosm-sph
・ 衝撃波速度: chond ≤ cosm-sph →ガス密度: chond ≥ cosm-sph?
Conclusion
Chondrule も cosmic spherule と同じく、衝撃波加熱により形成され
たと考えても矛盾はない。

両者の衝撃条件は異なる。衝撃の程度は cosmic spherule の方が大
きい。


外形+組織の特徴の違いについては、その原因は不明。
ダウンロード

THREE-DIMENSIONAL SHAPES OF COSMIC SPHERULES AND