太陽系星雲における鉱物凝縮に関する実験的研究

太阳星云矿物凝结的实验研究

• 批准号: 10874075
• 负责人: 高橋 裕子
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 1998
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1998 至 1999
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10874075/
• 关键词: 凝縮; 太陽系星雲; 核形成; 結晶成長; 真空実験; クヌッセンセル; フォルステライト; 凝縮速度

太陽系星雲における鉱物の凝縮の速度論的取り扱いのため、凝縮速度を実験的に決定することを試みた。凝縮過程は核形成と結晶成長の2つの過程からなり、核形成を実験的にコントロールすることはきわめて困難である。本研究においては結晶成長の部分のみを定量的に取り扱うことを目的とした。当初、クヌッセンセルから流出する定常的なガスからの凝縮を試みたが、凝縮領域でのガスの温度・圧力がコントロールされないことが判明した。さらに、真空容器内の温度がきわめて均質で、温度差を利用した凝縮が困難であることも判明した。そこで、物質の平衡蒸気圧差を用いた凝縮を試みた。太陽系の固体物質としてもっとも存在量が多く、また、地球型惑星のもっとも主要な構成鉱物あるフォルステライトを、SiO2とMgOを蒸発源として発生下ガスから成長させることを試みた。2重のクヌッセンセル内においたフォルステライト基盤は、表面構造が蒸発表面とは著しく異なり、逆反応の効果が大きいことが判明したが、微少な凝縮物の同定は困難であった。そこで第3番目の試みとして、クヌッセンセル内における逆反応のカイネティクスを利用して凝縮係数を求めることを試みた。クヌッセンセルのオリフィスサイズを変化させ、重量変化から逆反応の程度を見積もった。これはオリフィスサイズが容器体積に比較して小さい場合、クヌッセンセル内は平衡蒸気圧にある、という原理を利用したものである。重量変化はオリフィスサイズと直線的な関係にあり、この条件が満たされていることが判明した。この結果、平衡蒸気圧条件にあるガスからの凝縮係数が決定された。この方法を種々の鉱物の広い温度条件において適用し係数を決定することで太陽系星雲の凝縮過程を速度論的に取り扱うことが可能となり、画期的な方法である。

为了处理太阳星云中矿物凝结的动力学，我们尝试通过实验确定凝结速率。缩合过程由成核和晶体生长两个过程组成，通过实验控制成核极其困难。在本研究中，我们的目的是仅定量处理晶体生长部分。最初，尝试冷凝从克努森池流出的稳定气体，但结果发现冷凝区域气体的温度和压力无法控制。此外，人们发现真空容器内的温度极其均匀，很难利用温差来凝结。因此，我们尝试利用物质的平衡蒸气压差进行冷凝。我们尝试使用 SiO2 和 MgO 作为蒸发源，从演化气体中生长镁橄榄石，镁橄榄石是太阳系中最丰富的固体材料，也是类地行星的主要组成矿物。结果发现，置于双克努森池中的镁橄榄石基体的表面结构与蒸发表面显着不同，逆反应的影响很大，但难以识别微小的冷凝物。因此，作为第三次尝试，我们尝试利用克努森池内逆反应的动力学来确定缩合系数。改变克努森池的孔口尺寸，并根据重量变化估计逆反应的程度。这利用了这样的原理：当孔口尺寸与容器体积相比较小时，努森池的内部处于平衡蒸气压。结果发现，重量变化与孔口尺寸呈线性关系，满足这个条件。结果，确定了平衡蒸气压条件下气体的冷凝系数。通过将该方法应用于各种矿物的广泛温度条件并确定系数，使得从动力学角度处理太阳星云的凝结过程成为可能，这是一种革命性的方法。

项目成果

E.Young: "Non-Rayleigh oxygen fractionation by mineral evaporation" Geochim.Cosmochim.Acta. 62,18. 3109-3116 (1998)

E.Young：“矿物蒸发的非瑞利氧分馏”Geochim.Cosmochim.Acta。

Yamada,M.: "Simulation of space weathering of planet forming materials"Earth and Planetary Science. 51. 1255-1265 (1999)

山田，M.：“行星形成材料的空间风化模拟”地球与行星科学。

Ozawa,K.: "Kinetics of diffusion-controlled evaporation of Fe-Mg olivine"Geochimica et Cosmochimica Acta. 64. 173-189 (2000)

Ozawa,K.：“Fe-Mg 橄榄石扩散控制蒸发的动力学”Geochimica et Cosmochimica Acta。