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- しのぶ しどり
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1 小惑星の可視 近赤外反射スペクトル解析法とその応用 二村徳宏 日時 : 202 年 2 月 8 日水曜日 5:00-6:00 場所 : CPS セミナー室
2 目次 はじめに 宇宙風化モデル 鉱物の吸収帯の特徴を組み込んだ修正ガウス関数モデル 目的 6 Hebe 433 Eros 2543 Itokawaの宇宙風化度および組成の推定と解釈
3 はじめに 固体天体の岩石 それを構成する鉱物鉱物 鉱物を構成する化学組成化学組成 レゴリスの レゴリスの粒子サイズ粒子サイズ および宇宙風化作用宇宙風化作用等の物質科学に関する研究 対象天体が起源と進化の過程において経験した温度 圧力 および化学環境を理解 小惑星の物質科学探査から 遠隔探査において この物質科学的特徴を解明するための観測手段可視 近赤外反射スペクトル測定 太陽系の起源と進化を解明する これまで 衛星 探査機および地上観測による精力的な調査が行われている [e.g. Chapman and Gaffey 979; McFadden 984; Xu 994; Xu et al. 995; Bus 999; Burbine 2000; Binzel et al. 200ab; Bus and Binzel 2002ab; Burbine and Binzel 2002; Binzel et al. 2004abc]
4 固体天体表面物質の可視 近赤外反射スペクトル Asteroid S (I) S (II) Apollo sample 622 S (III) S (IV) 449 S (V) S (VI) 2023 S (VII) µm および 2 µm 付近に特徴的な吸収 可視 近赤外反射スペクトル解析には 2 つの問題点がある
5 可視 近赤外反射スペクトル解析の問題点 宇宙風化作用大気のない固体天体表面に太陽風 宇宙線 および微小隕石が衝突することによって生じる効果の総称 Noble (2004) Ph.D. Thesis
6 宇宙風化作用が可視 近赤外反射スペクトル解析に与える影響 暗化 赤化 吸収帯の弱化 Re eflectance Wavelength (nm) 鉱物の特徴的な吸収を解析することが困難
7 可視 近赤外反射スペクトル解析の問題点 2 主要珪酸塩鉱物の可視 近赤外反射スペクトル Olivine Plagioclase Low-Ca Pyroxene High-Ca Pyroxene Common Silicates (RELAB) 多種の鉱物に起因する複数の幅広い吸収帯が接近して複合吸収帯を形成
8 問題点のまとめ Reflectance Wavelength (nm) 宇宙風化作用 解決方策暗化 赤化 吸収帯の弱化 Olivine Low-Ca の原因物質は何か? Pyroxene Plagioclase High-Ca Pyroxene Common Silicates その物質が可視 近赤外反射スペクトルに与える影響をモデル化する ( 宇宙風化モデルの作成複合吸収帯 )
9 宇宙風化作用の生成物 月試料中のナノ還元鉄微粒子 (npfe 0 ) (Keller & McKay 993). 00nm npfe 0 月試料 (Photo courtesy Sarah Noble ).
10 宇宙風化作用モデル粒子 d w 宇宙風化層 D Host particle Noble et al. (2002) d h d w D : レゴリスの直径 d h : Host particle の直径 d w : 宇宙風化層の厚さ npfe 0 の体積濃度 (φ w )
11 宇宙風化層の吸収係数 Host Fe n h Maxwell-Garnett effective medium model K Kw = nw + ikw (Hiroiand Pieters 994) w = K h Refractive Index K 3φ w K + K φw K Kh + 2Kh K + 2K ( ) K = ( n + ik ) K = ( n + ik ) h α w h = Fe Fe h 4πk λ Fe Fe w h Fe h Fe Fe n Fe k Fe (Johnson and Christy 974)
12 Surface reflectance r0w Maxwell-Garnett effective medium model rwh 宇宙風化層 rw0 pw=exp( =exp(-αwdw) Host particle rhw ph=exp( =exp(-αhdh)
13 Parallel Plate Model for Vapor Coating Layer (-r0w)(-rw0)rwhpw 2 r0w =s0w 宇宙風化層 Host particle (-r0w)(-rwh wh)pw =t0w
14 Parallel Plate Model for Vapor Coating Layer 2 (-r0w)(-rw0 w0)pw 宇宙風化層 =thw r0w (-r0w)(-rwh)pw 2 Host particle =shw
15 Scattering and transmitting efficiencies t0wshwthwph 2 S0w t0wthwph t0wshw 2 thwph 3
16 Single scattering albedo 宇宙風化層 w : Q E w = = Q Q S E Q T Single scattering albedo Host particle (Hiroi and Pieters 994) モデル粒子
17 物質の反射物質の反射物質の反射物質の反射 (Hapke 993) (Hapke 993) (Hapke 993) (Hapke 993) ( ) ( ) ( ) w w H H w w R e i e i g e i 4 µ µ µ µ θ θ θ + = ( ) ( ) ln = µ µ µ w r r r w w H = w r e e i i θ µ θ µ cos = cos =. R 反射率モデル反射率 : c: 暗化係数 (e.g. 表面の凹凸 ガラス化 ) ( ) ( ) = = w R w R R g e i g e i C θ θ θ θ θ θ M cr C R θi θe R M
18 Results Model fitting of four Apollo soil sites spectra Apollo 2 suite FeO= 5.3 wt.% Apollo 4 suite FeO= 0.23 wt.% Measured Calculation Measured Calculation Apollo 6a suite FeO= 4.56 wt.% Apollo 6b suite FeO= 5.8 wt.% Measured Calculation Measured Calculation Measured spectra data from Fischer (995)
19 Optimized values of d w plotted against I s /FeO for four Apollo soil suites. (Christoffersen et al. 996) d w =30 nm d w has a good positive correlation with the I s /FeO.
20 Results Model fitting of four Apollo soil sites spectra Apollo 2 suite FeO= 5.3 wt.% Apollo 4 suite FeO= 0.23 wt.% Measured Calculation Measured Calculation Apollo 6a suite FeO= 4.56 wt.% Apollo 6b suite FeO= 5.8 wt.% Measured Calculation Measured Calculation Measured spectra data from Fischer (995)
21 Reflectance spectra of four lunar soils except space weathering effect R h Apollo 6b Apollo 6a Apollo 4 Apollo 2
22 問題点のまとめ 解決方策 Reflectance 各鉱物の吸収帯の特徴を定式化 Plagioclase Olivine Low-Ca Pyroxene High-Ca Pyroxene Common Silicates Wavelength (nm) 宇宙風化作用 複合吸収帯
23 カンラン石の可視 近赤外反射スペクトル解析 M M M2 [Dyar et al. 2009] 2 3
24 カンラン石の 3 つの吸収帯の中心波長 band 3 band 2 band µ = L Fa + oli oli L oli
25 カンラン石の 3 つの吸収帯の幅 band 3 band band 2 σ = M Fa + oli Fai M oli
26 カンラン石の 3 つの吸収帯の吸収帯強度比 band 3 band 2 band band 2 M site M2 site s = + N s oli ( N Fa ) Fai oli ol 2
27 鉱物の吸収帯の特徴を組み込んだ MGM 従来の MGM (Sunshine et al. 990) α Band Band 2 Band 3 ( µ ol µ ol 2 µ ol 3 σ σ σ ol µ s ol ol s ol2 ol2 s ol3 ol3 ) カンラン石の吸収帯の特徴を組み込んだ MGM µ = L Fa + oli Fai σ = M Fa + oli Fai s = + oli L M oli oli ( N Fai Fa Noli ) sol 2 = 3 i s oli exp ( λ µ 2σ oli 2 oli ) 2 変数は Fa および s ol2 のみ
28 レゴリス粒子の吸収係数 Host particle α w α h Q E w = α ol ivine α low -Ca pyroxene α high-ca pyroxene α plagioclase = Q Q S Q E w : Single scattering albedo T (Hiroi and Pieters 994)
29 鉱物混合物の Single scattering albedo カンラン石 低 Ca 輝石 高 Ca 輝石 斜長石の割合が m ol :m opx :m cpx :m pl とすると w j = j m Q j m Q j Sj E = m m ol ol Q Q Sol Eol + m + m opx opx Q Q Sopx Eopx + + m m cpx cpx Q Q Scpx Ecpx + m + m pl pl Q Q Spl Epl
30 物質の反射物質の反射物質の反射物質の反射 (Hapke 993) (Hapke 993) (Hapke 993) (Hapke 993) ( ) ( ) ( ) w w H H w w R e i e i g e i 4 µ µ µ µ θ θ θ + = ( ) ( ) ln = µ µ µ w r r r w w H = w r e e i i θ µ θ µ cos = cos =. R 反射率モデル反射率 : c: 暗化係数 (e.g. 表面の凹凸 ガラス化 ) ( ) ( ) = = w R w R R g e i g e i C θ θ θ θ θ θ M cr C R θi θe R M
31 可視 近赤外反射スペクトル解析法で用いる変数 Name of parameter Number 暗化係数 (c) 宇宙風化層の厚さ (d w ) ナノ還元鉄微粒子 (npfe 0 ) の体積濃度 (φ w ) Host particle の直径 (d h ) 鉱物混合比 (v ol :v low-ca :v high-ca :v pl ) 4 コンティニウム (c 0h c h ) 2 4 カンラン石の band 2 の吸収帯強度 (s ol2 ) 輝石の band 2 の吸収帯強度 (s px s px2 ) 2 2 斜長石の band の吸収帯強度 (s pl ) カンラン石の Fa#(Fa#) 輝石の Wo#(Wo#) 2
32 6 Hebe 433 Eros 2543 Itokawaの宇宙風化度および組成の推定と解釈
33 解析に用いた小惑星の可視 近赤外反射スペクトル 6 Hebe 主ベルト小惑星 H コンドライト的 24 色および 52 色小惑星サーベイ [e.g. Chapman and Gaffey 979; McFadden et al. 984] 433 Eros 2543 Itokawa 近地球小惑星 LL コンドライト的 小型主ベルト小惑星分光サーベイ (SMASS) [Binzel et al. 200; Rivkin et al. 2004] はやぶさ探査機の NIRS のデータ (2543 Itokawa) [Abe et al. 2006]
34 モデルの可視 近赤外反射スペクトルへの応用 6 Hebe 2543 Itokawa (Telescopic) 433 Eros 2543 Itokawa (Hayabusa NIRS)
35 2543 Itokawa の可視 近赤外反射スペクトル解析 ナノ還元鉄微粒子 (npfe 0 ) の体積濃度 φ w =. vol.% Zone I (npfe を含むコーティング層 ) =5-5 nm d h =60µm Noguchi [20] Tsuchiyama [20] d h d w φ w Mg# olivine low-ca pyroxene high-ca pyroxene Plagiocla se 60 µm 8 nm.vol.% % 2 % 6 % 5 %
36 モデルの応用結果 6 Hebe (Telescopic) 433 Eros (Telescopic) 2543 Itokawa (Telescopic) 2543 Itokawa (Hayabusa NIRS) d h (µm) d w (nm) φ w (vol. %) Mg# (mol%) ol:op:cp:pl 43:39:6:2 58:9:5:8 62:2:5: 58:2:6:5 d h Mg# Host φ w d h =Host particle の直径 d w = 宇宙風化層の厚さ φ w = 宇宙風化層中の npfe 0 の体積濃度 ol:op:cp:pl= 鉱物比 ( 体積比 ) d w
37 隕石の鉱物比 433 Eros (Telescopic) 6 Hebe (Telescopic) 2543 Itokawa (Hayabusa NIRS) 2543 Itokawa (Telescopic) 2543 Itokawa (Telescopic) 6 Hebe (Telescopic) 2543 Itokawa (Hayabusa NIRS) 433 Eros (Telescopic) 2543 Itokawa 試料の結果 [Tsuchiyama 20]
38 小惑星および南極隕石のカンラン石および輝石中の Fe 量 C 433 Eros (Telescopic) 2543 Itokawa (Telescopic and Hayabusa NIRS) Nakamura (20) 6 Hebe (Telescopic)
39 モデルの応用結果 6 Hebe (Telescopic) 433 Eros (Telescopic) 2543 Itokawa (Telescopic) 2543 Itokawa (Hayabusa NIRS) d h (µm) d w (nm) φ w (vol. %) Mg#(mol%) ol:op:cp:pl 43:39:6:2 58:9:5:8 62:2:5: 58:2:6:5 Meteorite H LL LL LL type d h Mg# Host φ w d h =Host particle の直径 d w = 宇宙風化層の厚さ φ w = 宇宙風化層中の npfe 0 の体積濃度 ol:op:cp:pl= 鉱物比 ( 体積比 ) d w
40 H および LL コンドライト的小惑星間の違い 結果 宇宙風化層内の npfe 0 の体積濃度 (φ w ) が 6 Hebeは.6 vol.% と433 Eros(.3 vol.%) および 2543 Itokawa(0.9-. vol.%) に比べて大きい解釈 H コンドライトは LL コンドライトよりも金属鉄に富むために 微小隕石の衝突や太陽風によるスパッターリングによって生成された蒸気が Fe に富むようになったためであると考えられる
41 LL コンドライト的な小惑星 433 Eros および 2543 Itokawa 結果 宇宙風化層の厚さ (d w ) 2543 Itokawa(8-9 nm)>433 Eros (7 nm) 解釈 2543 Itokawa の方が 433 Eros より長時間近地球軌道に存在した可能性 2543 Itokawa は 岩石や粗いレゴリスが長時間宇宙風化を受けている (2543 Itokawaは433 Eros より重力が小さく細かいレゴリスを保持できない )
42 結果 LL コンドライト的な小惑星 433 Eros および 2543 Itokawa 宇宙風化層の npfe 0 の体積濃度 433 Eros (.3 vol. %)>2543 Itokawa(0.9-. vol.%) 解釈 322 Eros の方が 2543Itokawa よりも細かいレゴリスが存在し 金属鉄が珪酸塩から分離して 珪酸塩ほど細粒にならない金属鉄が表面に濃集 NEAR-Shomaker 探査機で観測された Pond はそのような金属鉄に富む部分である可能性 (Dombard et al. 200)
43 まとめ本研究の手法の斬新性 従来の研究 宇宙風化作用の効果を考慮していない 未知変数が多い 端成分鉱物を仮定しなければいけない 本研究 宇宙風化モデルを考慮 宇宙風化層の厚さ 宇宙風化層内の npfe 0 の体積濃度 鉱物の吸収帯の特徴を定式化 未知の固体天体表面物質から 物質科学的情報 ( 粒子サイズ 宇宙風化作用 組成等 ) を得ることができるモデルの構築に成功
44 まとめ 新しく得られた知見 H および LL コンドライト的な小惑星の間で宇宙風化層中の npfe 0 の体積濃度に違い 組成の違いによる宇宙風化作用のしやすさ 組成 サイズ 軌道要素の違いと 同じ LL コンドライト的でも 宇宙風化の関係 宇宙風化層の厚さ および npfe 0 の体積濃度に違い 天体のサイズ ( 軌道要素 ) の違いによる宇宙風化作用の違い
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