土星リング粒子を模擬した多孔質氷球の低速度衝突実験：反発係数に対する空隙率依存性及び非弾性衝突メカニズム

概要

⼟星リングシステムは太陽系に存在する特徴的な構造の 1 つであり，⼟星中⼼から
282,000 km に渡って広がっているのに対して，厚さは約 10 m 程度という⾮常に薄い円盤
状の構造である．⼟星リングは探査機や地上望遠鏡の観測によって，A, B, C リングからな
るメインリングと D, E, F, G リングからなる希薄なリングに分けられている．本研究では，
メインリングに着⽬し，その動⼒学を理解するために重要な物理学的過程であるリング粒
⼦間の⾮弾性衝突に関する実験的研究を⾏う．メインリングのリング粒⼦は数 cm から数
10 m サイズであり，主に⽔氷から構成されていると先⾏研究から⾔われている．更に，惑
星探査機 Cassini によって⾏われた観測によって，動⼒学的に安定な状態にあることがわ
かっている．定常状態におけるリング粒⼦の速度分散は反発係数によって決定されるため，
リングの観測結果と数値計算を⽐較し，リングの動⼒学を理解するためには，リング粒⼦
の⾮弾性衝突を特徴付ける反発係数を調べることが⾮常に重要である．先⾏研究では，リ
ング粒⼦の模擬物質として空隙のない⽔氷が使⽤されていた．しかし，近年の観測によっ
て，メインリングを構成するリング粒⼦は空隙を含む多孔質氷である可能性が⽰唆されて
いる．しかし，多孔質氷を⽤いた低速度での反発係数の実測はほとんど⾏われておらず，
特に多孔質氷の空隙率に着⽬した実験は今までに⾏われていない．従って，本研究ではリ
ングの動⼒学を理解するために重要な物理量であるリング粒⼦の反発係数を明らかにする
ため，リング粒⼦の候補として新たに提案されている多孔質氷を使⽤した低速度衝突実験
及び反発係数の測定を⾏い，反発係数と衝突速度の関係に対する空隙率依存性を調べた．
更に，多孔質氷の⾮弾性衝突におけるエネルギー散逸メカニズムを明らかにするため，衝
突による多孔質氷の変形量及び接触時間の測定を⾏い，塑性変形及び粘弾性変形を考慮し
たエネルギー散逸について議論する．最後に，得られた結果を⽤いてメインリングシステ
ムの動⼒学に対する多孔質氷の空隙率の影響を議論する．
試料作成及び実験は全て-13.8 °C の低温室内で⾏われた．
多孔質氷球は細粒の氷粒⼦
（平
均粒径 11.3±5.9 μm）を型に詰めて成形することで作成した．本研究では，平均空隙率の
異なる 3 種類の多孔質氷球（直径 3 cm）を作成した．本論⽂では，平均空隙率 49.6%の多
孔質氷球を LS (Low-porosity Samples)，53.8%の多孔質氷球を MS (Middle-porosity Samples)，
60.8%の多孔質氷球を HS (High-porosity Samples)と呼ぶ．作成した多孔質氷球は-20.3 °C の
冷凍庫で 6-9 ⽇焼結させており，先⾏研究から試料の強度は空隙率のみに依存することが ...

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