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  • 1. Development of Numerical code based on the DISPH method for Simulation of the Impacts of Small planetary bodies 2014/2/4 修士論文発表会 上田 翔士
  • 2. 今回のテーマ 小天体衝突 インパクター 揮発性物質 大気 海 岩石 ターゲット
  • 3. 研究背景
  • 4. 揮発性物質の供給源 (1) 集積された微惑星 (2) 円盤ガス (3) 小天体(彗星、小惑星) (c)NASA
  • 5. 小天体衝突 ・供給   小天体中の揮発性物質を   地球に供給   (e.g., Chyba 1987) ・損失(はぎ取り)   衝突の影響で大気や海の   一部が惑星外へ放出   (e.g., Svetsov 2007) www.astrobio.k.u-tokyo.ac.jp
  • 6. 衝突頻度/現在の頻度 後期隕石重爆撃(LHB) 約40億年前に大量 天体衝突イベント ! 生命誕生の時代  と重なっている 時間 (Gyrs) Zahnle et al. (2007) 改 表層環境(大気、水の量など)が大きく変化 惑星のハビタビリティに影響
  • 7. 惑星表面の水の量 ・Maruyama et al. (2013)   生命発生・維持には陸が必要 ! ・Ueta & Sasaki (2013)   惑星が大量の水を保持する   場合、底に高圧氷層が生じる    高圧氷がハビタビリティに    影響を与える可能性 ! ! 水の量がハビタビリティを決めうる コア・マントル 海 高圧氷
  • 8. 小天体衝突現象の重要性 小天体衝突 ・ハビタビリティを決めうる表層環境(大気、海  の量など)に大きな変化をもたらす ! ・生命が誕生したとされる地球形成初期に大量の  小天体衝突イベント ! ! ! 地球の進化において非常に重要な物理現象
  • 9. 先行研究 Shuvalov (2009) 現実的な3次元小天体衝突シミュレーション ! ・メッシュ法によるローカルな計算   メッシュ法:   グローバルな衝突計算は苦手    比較的小さな天体のみ扱う ! ・ターゲットは岩石の場合のみ  (海の損失は考慮してない) 大気 岩石
  • 10. 衝突状況の特徴 小天体衝突状況の特徴 ・大気と海/陸といった密度差大の接触不連続面   流体計算法が非常に苦手と   してきた ! 接触不連続面 大気 ・様々な衝突状況 岩石   数多くの衝突パラメータを   考慮する必要   (パラメータ:天体直径、衝突速度、衝突角度、    インパクター物質、ターゲット物質など)
  • 11. 研究目的 小天体衝突シミュレーションコードの開発 (a) グローバルなシミュレーションにも適応可能   (粒子的流体計算手法用いる) (b) 密度差大の接触不連続面を正しく表現可能 (c) ターゲットとして海をも考慮し、様々な衝突   状況を再現可能 将来的な目標 ①小天体衝突による大気や水の供給、損失現象の理解  (大気や海がどの程度、惑星外へ放出されるか) ②地球形成初期での大気や海の量の進化を る !
  • 12. 手法
  • 13. 計算手法 流体計算手法:   Density Independent Smoothed Particle Hydrodynamics  for non-ideal gas (DISPH; Hosono et al. 2013) !   SPH法:   流体を質量を持つ仮想的な粒子   (SPH粒子)の集合と見なして   計算する手法 ! 非理想気体の状態方程式:  Tillotson EOS (Tillotson 1962; Melosh 1989)
  • 14. Density Independent SPH 標準SPH (Lucy 1977; Gingold & Monaghan 1977)   密度をsmoothingするよう定式化    密度ギャップのある接触不連続面において 新たな    非物理的な力が働いてしまう 定式化   ! DISPH for ideal gas (Saitoh & Makino 2013)      非理想気体の状態方程式を用いれるよう拡張 新たな ! 定式化 DISPH for non-ideal gas (Hosono et al. 2013)
  • 15. 数密度 vs 質量密度① 粒子を用いて密度差を表現する方法 or ①等質量粒子を用いて  粒子の数密度を変える ②粒子の数密度を等しくし  粒子の質量を変える
  • 16. 数密度 vs 質量密度② SPH法:一般的に、①等質量粒子を用いて     粒子の数密度を変える 大きな密度差 を持つ流体 密度の小さい領域 の粒子が少なすぎる (解像度の問題) or 密度の大きい領域 の粒子が多すぎる (計算量の問題)
  • 17. 数密度 vs 質量密度③ 本研究:②粒子の数密度を等しくし、粒子の質量を変える     という密度差の表現を試みる ! SPH法にてこれまで行われてこなかった、 新しい密度差の表現方法 密度差の非常に大きい 境界を、少ない計算量で より正確に再現可能
  • 18. 結果
  • 19. 密度差大の接触不連続面① 静水圧平衡テスト with 標準SPH 大気 1.3 kg/m3 岩石 2680 kg/m3 水 1000 kg/m3 圧力平衡 四角形を保つべき 原因・非物理的な反発力   ・質量密度で密度差を表現
  • 20. 密度差大の接触不連続面② 静水圧平衡テスト with DISPH 大気 1.3 kg/m3 岩石 2680 kg/m3 水 1000 kg/m3 圧力平衡 四角形を保つべき 粒子質量を変えて密度差  の大きい境界を表現可能
  • 21. 密度差大の接触不連続面③ 静水圧平衡テスト with DISPH 大気 1.3 kg/m3 岩石 2680 kg/m3 圧力平衡 四角形を保つべき 密度差2000倍さえ粒子  質量を変えて表現可能
  • 22. 様々な衝突状況 パラメータ:天体直径、衝突速度、衝突角度、       天体物質(小惑星/彗星)、海の深さ
  • 23. 衝突計算の例 圧力1010 Pa ! 大気 1.3 kg/m3 水 1000 kg/m3 岩石 2680 kg/m3 ! 海の深さ 4 km 天体物質 岩石
  • 24. 課題
  • 25. 地球を模した衝突状態 ・比較的低圧下(< 105 Pa)での衝突   落下中にインパクター粒子の圧力が非常に大     ・タイムステップの取り方     ・より正確な状態方程式の導入 (e.g., ANEOS) ! ・密度成層した大気、岩石   初期状態が落ち着かない or 計算ストップ     ・より正確な状態方程式の導入 (e.g., ANEOS)     ・人工的な力を加えて落ち着かせる      (人工粘性を大きくする)     ・境界粒子の置き方
  • 26. 蒸発した粒子 vs 大気粒子 大気 蒸発 岩石 岩石 蒸発膨張した岩石・水粒子と大気粒子の混在は大丈夫か   ・詳細に検討する必要がありそう   ・解像度の問題  粒子の置き方の工夫
  • 27. 応用
  • 28. 本研究の応用 ・小天体衝突   本研究で開発するコードは、その他の系内地球型   惑星、衛星などの衝突現象に適用可能 ! さらに・・・ 本研究の結果 大きな密度差のある境界を粒子質量を変えて表現可能 ! ! ・大きな密度差が存在する流体力学的現象   計算困難とされた問題の解決へと繋がる可能性
  • 29. まとめ 目的:  小天体衝突シミュレーションコードの開発 手法:  新しい流体計算コード・DISPH      (異なる質量の粒子を用いて密度差を表現) ! 結果: ①2000倍の密度差も粒子の質量を変えて表現可能     ②様々な衝突状況を作り出すことが可能 ! 課題: ・地球を模した衝突状態  解決策はある程度把握     ・蒸発状態の粒子について  詳細な検討必要 ! 応用: ・小天体衝突コードは様々な惑星・衛星に適用可     ・結果①は密度差大の境界を持つ問題の解決へ

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