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

2 Laboratory for Space Sciences Physics Department, Washington University3Department of Material Sciences and Biological Sciences, Ibaraki University

4Institute of Geoscience, NIST, 5SPring-8, JASRI.

MOTIVATIONMOTIVATION

・ コンドリュールコンドリュールの成因として衝撃波加熱衝撃波加熱が有力である・ 宇宙塵スフェリュール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次元構造元構造

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

Chondrule shapesPorphyritic chondruleBarred olivine chondruleCryptocrystall ine chondrule

B/A

-1

1

0.2

0.5

log(n)=0

-0.2

-0.5 p=0.9

0.8

0.5 0.6 0.7

c

a

oblate

prolate

sphere

flatteningby rotation

shape instability by rotation

fissionコンドリュールの３次元構造コンドリュールの３次元構造 (Tsuchiyama(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

本研究本研究 ・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

・３軸楕円体近似 ・３軸楕円体近似 　 a-, b-, c- 軸 　軸長 : A≥B≥C

宇宙塵スフェリュールサンプル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-CT (Uesugi et al., 2001) @SPring-8

Prolate and oblate spherulesProlate and oblate spherulesProlate 11 50.0%Dunbbell-shaped 4 18.2%Oblate 7 31.8%

Prolate spherule (113.1 m) Oblate spherule (167.5 m)Dumbbell-shaped (116.5 m)

TexturesTexturesBO* 14 37.2%CC or GL 11 20.9%P** 17 39.5%Dendritic magnetite*** 1 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 spherul

e) ？*** Type-G?

cut/182.tif (width: 113.16 m)

5040041 (040615c)cut/290.tif (width: 246 m)

NN6 (040213f)cut/163.tif (width: 83.49 m)

5040223 (040616i)

BO GL P

Compound spherulesCompound spherules

Spherules with glass caps 2鏡下では non-compound 41　 CT で compound 18 43.9%　　小さな spherule が付着 5 12.2%　　それ以外 13 31.7%

cut/145.tif (width: 160.5 m)NJ6 (031205g)

Compound spherulesCompound spherulesSpherules with glass caps 2鏡下では non-compound 41　 CT で compound 18 43.9%　　小さな spherule が付着 5 12.2%　　それ以外 13 31.7%

cut/20.tif (width: 184 m)NB5 (031205d)

Compound spherulesCompound spherulesSpherules with glass caps 2鏡下では non-compound 41　 CT で compound 18 43.9%　　小さな spherule が付着 5 12.2%　　それ以外 13 31.7%

cut/190.tif (width: 168.5 m)ND6 (031205e)

Porous spherulesPorous spherules

空隙を多く含むもの 14 32.6%　多孔質（すべて P ） 11 25.6%　大きなクレータをもつ 3 7.0%

cut/84.tif (width: 122.59 m)

T0310040 (040616j):

Porous spherulesPorous spherules

空隙を多く含むもの 14 32.6%　多孔質（すべて P ） 11 25.6%　大きなクレータをもつ 3 7.0%

cut/86.tif (width: 130 m)NC5 (031204i)

3-D shapes of cosmic spherules vs. chondrules3-D shapes of cosmic spherules vs. chondrules

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

C_B-B_A

Porpyritic chondruleBarred olivine chondruleCryptocrystalline chondrule

Porphyritic spheruleBarred olivine spheruleCryptocrystalline spherule

B/A

-1

10.2

0.5

log(n)=0

-0.2

-0.5

p=0.9

0.8

0.5

0.6

0.7

0.4

0.3

３次元外形の特徴３次元外形の特徴

・アスペクト比の１に近いグループ アスペクト比の１に近いグループ （ p>0.8 ）

　　　　 oblate oblate が主が主　　 spherule ~ chondrule

・アスペクト比がアスペクト比が 0.6<p<0.8 のグループのグループ　　　　 prolate prolate が主が主　　 spherule > chondrule

・アスペクト比がアスペクト比が 0.3-0.40.3-0.4 のグループのグループ　　　　 dumbbell-shaped 　　 spherule のみ

(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

(3) Prolate: spherule > chondrule　　 Dumbbell-shaped spherule　　　 宇宙塵スフェリュールの方が高速回

転

Rotation rates of oblate spherulesRotation rates of oblate spherules

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

0.40.50.60.70.80.910

500

1000

1500 A-p

Porphyritic chondruleBarred olivine chondruleCryptocrystalline chondrule

Porphyritic spheruleBarred olivine spheruleCryptocrystalline spherule

Aspect ratio, p

Oblate chondrules and spherules

50 rps

100 rps

500 rps

200 rps

175 rps

495 rps

5500 rps

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）

3-D shapes of cosmic spherules vs. chondrules3-D shapes of cosmic spherules vs. chondrules

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

C_B-B_A

Porpyritic chondruleBarred olivine chondruleCryptocrystalline chondrule

Porphyritic spheruleBarred olivine spheruleCryptocrystalline spherule

B/A

-1

10.2

0.5

log(n)=0

-0.2

-0.5

p=0.9

0.8

0.5

0.6

0.7

0.4

0.3

３次元外形と組織３次元外形と組織

・アスペクト比の１に近いグループアスペクト比の１に近いグループ（ p>0.8 ）

oblate が主　　 Spherule: P(porous) >> BO,CC　　 Chondrule: P > BO,CC

・アスペクト比がアスペクト比が 0.6<p<0.8 のグルーのグループプ

prolate が主　　 Spherule: BO >> CC,P　　 Chondrule: P

・アスペクト比がアスペクト比が 0.3-0.40.3-0.4 のグループのグループ dumbbell-shapeddumbbell-shaped　　 Spherule: P, BO

(1) Oblate spherule は P(porous) が、 prolate spherule は BO が多い

(2) BO chondrule は oblate 、　　 prolate chondrule は P

BO chondrulewith p~0.6

(Norton, 2002)oblate → torus?

Chondrule formation by shock wave meltingChondrule formation by shock wave melting

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

5 6 7 8 9 10 20 30

Shock wave heating model by Susa and Nakamoto (2002)

shock velosity [km s-1]

acrit

= 0.1 mm

1 AU

2 AU3 AU

5 AU

10 AU

Minimum mass solar nebula midplane200 km

150 km

120 km

100 km

80 km

60 km

40 kma = 0.1 mm

not melted

evaporated

melted

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, 77o 　　　　　　　　　　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

　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？

Comparison of cosmic spherules with chondrulesComparison of cosmic spherules with chondrules

類似点類似点・ 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

相違点相違点・ 組織（ chondchond: P>>BO,RP,CC 、 cosm-sphcosm-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（ chondchond: なし→蒸発少 / 再凝縮、 cosm-sphcosm-sph: あり→蒸発多）・ 外形（ chondchond: oblate > prolate 、 cosm-sphcosm-sph: oblate < prolate, dumbbell ） 　　 →衝撃の程度： chon < cosm-sph・ 外形 + 組織（ chondchond: oblate BO,P - prolate P 、 cosm-sphcosm-sph: oblate P - prolate BO ）・ voids （ chondchond: 少量存在、 cosm-sphcosm-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 : chondchond < cosm-sphcosm-sph

→ 衝撃の程度： chon < cosm-sph・ 衝撃波速度 : chondchond ≤ cosm-sphcosm-sph → ガス密度 : chond ≥ cosm-sph ？

ConclusionConclusion

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。