[論文レビュー] Thermal evolution and sintering of chondritic planetesimals III. Modelling the heat conductivity of porous chondrite material

Stephan Henke, H. P. Gail+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2016

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ひとこと要約

本研究では、多孔質なコンドライト的材料の熱伝導率を、コンドライトとマトリックス粒子のランダムなパッケージングをシミュレートすることで数値モデルを構築した。このモデルは、空隙率と微細構造を考慮し、未変形のコンドライト的材料の熱伝導率が、衝撃によって生じるマイクロクラックの影響を受ける現在の隕石よりも高いことを示している。また、熱進化モデルに適用した際、Hコンドライトの冷却データをうまく再現した。

ABSTRACT

The construction of models for the internal constitution and the temporal evolution of large planetesimals, the parent bodies of chondrites, requires information on the heat conductivity of the complex mixture of minerals and iron metal found in chondrites. It is attempted to evaluate the heat conductivity of a multi-component mineral mixture and granular medium from the heat conductivities of its mixture components. Random mixtures of solids with chondritic composition and packings of spheres are numerically generated. The heat conduction equation is solved in high spatial resolution for a test cube filled with such matter. From the heat flux through the cube the heat conductivity of the mixture is derived. The model results for porous material are consistent with data for compacted sandstone, but are at odds with measurements for H and L chondrites. The discrepancy is traced back to shock modification of the currently available meteoritic material by impacts on the parent body over the last 4.5 Ga. This causes numerous micro-cracks that act as additional barriers for heat transfer. The void structure in meteorites is different from that which probably existed in the pristine material of the parent bodies. The results obtained for the heat conductivity of the pristine material are used for calculating models for the evolution of the H chondrite parent body which are fitted to the cooling data of a number of H chondrites. The fit to the data good.

研究の動機と目的

• コンドライト的矮星天体の熱進化モデルを、その多孔質かつ多成分からなる材料の熱伝導率を正確に特定することで改善すること。
• 実験的熱伝導率測定値と理論的予測との乖離を解消すること。これは、衝撃によって生じるマイクロクラックが測定値を歪めているためである。
• 粒状パッケージングの数値シミュレーションを用いて、衝撃変形を受けていない未変形のコンドライト的材料の熱伝導率をシミュレートすること。
• 得られた熱伝導率を用いて、Hコンドライトの母天体の熱進化をモデル化し、観測された冷却速度に適合させること。
• 現在の隕石データが、矮星天体進化における異なる空隙率モデルを区別できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 制御された体積分率をもつ球形粒子（コンドライトとマトリックス）のランダム3次元パッケージングを、確率的アルゴリズムを用いて数値的に生成する。
• 立方体領域にシミュレートされた粒状材料が満たされた領域内で、高解像度の有限差分グリッド上に定常状態の熱伝導方程式を解く。
• 固定された温度勾配下での立方体を貫る熱フラックスから、等価熱伝導率を計算する。
• 重力、摩擦、反発力といった人工的力を持つ分子動力学に類似したアプローチを用い、球体のランダムパッケージングを機械的平衡に達するまでシミュレートする。
• 粒子サイズ、空隙率、成分体積分率を系統的に変化させ、微細構造に依存する熱伝導率の依存関係を調査する。
• シミュレートされた熱伝導率を、コンドライトおよび圧縮砂岩からの実験的データと比較し、乖離の構造的要因を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 未変形状態のコンドライト的材料において、空隙率は熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ実験的測定値では、コンドライトの熱伝導率が理論的モデルと異なる空隙率依存性を示すのか？
• RQ3 隕石に生じる衝撃誘発マイクロクラックが、元の多孔質構造と比較して熱伝導率をどの程度変化させるか？
• RQ4 未変形微細構造のシミュレーションから得られた熱伝導率は、Hコンドライトの観測冷却速度を再現できるか？
• RQ5 現在の隕石冷却データは、矮星天体熱進化における異なる空隙率モデルを区別できるか？

主な発見

• ゼロ空隙率におけるモデルから得られた熱伝導率は、圧縮されたコンドライトの実験的測定値とよく一致する。
• シミュレートされた粒状媒体（コンドライト＋マトリックス）における熱伝導率の空隙率依存性は、実際の隕石よりも急峻である。これは構造的要因によるものである。
• シミュレーションと隕石データとの乖離は、空隙ではなく亀裂を形成する衝撃誘発マイクロクラックに起因し、熱伝導率を顕著に低下させると考えられる。
• 空隙を主体とする空洞を有する未変形微細構造は、衝撃によって変更された現在の隕石材料よりも高い熱伝導率を示す。
• 未変形状態の熱伝導率を用いた熱進化モデルは、Hコンドライトの冷却速度をうまく再現しており、観測データと整合的である。
• さまざまな空隙率仮定において冷却データに良好に適合するため、現在の隕石データだけでは、競合する空隙率モデルを区別することはできない。