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衝突クレーターは、より小さな物体が超高速で衝突することによって固体天体の表面にできた窪みです。爆発や内部崩壊によって生じる火山クレーターとは対照的に、[ 2 ]衝突クレーターは通常、縁が盛り上がっており、底面は周囲の地形よりも低くなっています。[ 3 ]衝突クレーターは通常円形ですが、地滑りなどの事象によって楕円形や不規則な形になることもあります。衝突クレーターの大きさは、アポロ計画で持ち帰られた月の岩石に見られる微細なクレーター[ 4 ]から、単純な椀型の窪み、広大で複雑な多重リングの衝突盆地まで様々です。メテオ・クレーターは、地球上の小さな衝突クレーターのよく知られた例です。[ 5 ]
衝突クレーターは、月、水星、カリスト、ガニメデ、およびほとんどの小さな衛星や小惑星を含む、太陽系の多くの固体天体の主要な地形的特徴です。地球、金星、エウロパ、イオ、タイタン、トリトンなど、より活発な表面地質学的プロセスを経験する他の惑星や衛星では、時間の経過とともに地殻変動や火山活動によって侵食、埋没、または変形するため、目に見える衝突クレーターはあまり一般的ではありません。そのようなプロセスによって元のクレーター地形の大部分が破壊された場合、衝突構造またはアストロブレムという用語がより一般的に使用されます。衝突クレーターの重要性が広く認識される前の初期の文献では、現在地球上の衝突関連の特徴として認識されているものを説明するために、クリプト爆発またはクリプト火山構造という用語がよく使用されていました。[ 6 ]
水星、月、火星の南高地などの非常に古い表面のクレーターの記録は、約39億年前の太陽系内における激しい初期衝突の時期を記録している。地球上のクレーター生成率はそれ以降かなり低下しているが、それでも無視できない。地球は平均して、100万年に1回から3回、直径20キロメートル（12マイル）のクレーターを生成するのに十分な大きさの衝突を経験している。[ 7 ] [ 8 ]これは、これまでに発見されたものよりもはるかに多くの比較的若いクレーターが地球上に存在するはずであることを示している。太陽系内におけるクレーター形成率は、小惑星帯での衝突の結果として変動し、その結果、太陽系内へカスケードのように送られる破片のファミリーが作られる。[ 9 ] 8000万年前の衝突で形成されたバプティスティナ族の小惑星は、衝突率の大きな急増を引き起こしたと考えられている。太陽系外縁部における衝突クレーター形成率は、太陽系内縁部とは異なる可能性がある。[ 10 ]
地球の活発な表面プロセスによって衝突の記録はすぐに破壊されるものの、約190個の地球上の衝突クレーターが特定されている。[ 11 ]これらのクレーターの直径は数十メートルから約300 km (190 mi)まで、年代は最近 (例えば、 1947年に形成が目撃されたロシアのシホテアリニ・クレーター) から20億年以上前まで様々だが、地質学的プロセスによって古いクレーターは消滅する傾向があるため、ほとんどは5億年未満である。また、大陸の安定した内部領域に選択的に見られる。[ 12 ]海底の調査の難しさ、海底の変化の速さ、プレートテクトニクスのプロセスによる海底の地球内部への沈み込みのため、海底クレーターはほとんど発見されていない。
鉱山技師のダニエル・M・バリンジャーは、1903年の時点で、自身が所有するメテオ・クレーターが宇宙起源であると確信していた。当時の地質学者のほとんどは、それが火山性水蒸気噴火の結果として形成されたと考えていた。[ 13 ]： 41-42
1920年代、アメリカの地質学者ウォルター・H・ブッチャーは、現在アメリカ合衆国で衝突クレーターとして認識されている多くの場所を調査した。彼はそれらが何らかの大きな爆発現象によって形成されたと結論付けたが、その力は恐らく火山起源であると考えていた。しかし、1936年に地質学者のジョン・D・ブーンとクロード・C・アルブリットン・ジュニアはブッチャーの研究を再検討し、彼が調査したクレーターは恐らく衝突によって形成されたと結論付けた。[ 14 ]
1893年、カール・ギルバート・グローブは、月のクレーターは大きな小惑星の衝突によって形成されたと提唱した。 1949年、ラルフ・ボールドウィンは、月のクレーターは大部分が衝突起源であると記した。1960年頃、ジーン・シューメーカーはこの考えを復活させた。デイビッド・H・レヴィによれば、シューメーカーは「月のクレーターは、何億年もかけて徐々に形成されたのではなく、数秒で爆発的に形成された論理的な衝突地点であると考えた」という。シューメーカーは、ハリー・ハモンド・ヘスの指導の下、プリンストン大学で博士号を取得するため（1960年）、メテオ・クレーターの衝突力学を研究した。シューメーカーは、メテオ・クレーターが、ネバダ核実験場での原子爆弾実験によってできた2つの爆発クレーター、特に1951年のジャングルUと1955年のティーポット・エスと同じ形と構造をしていることに気づいた。1960年、エドワード・CT・チャオとシューメーカーは、メテオ・クレーターでコーサイト（二酸化ケイ素の一種）を発見し、このクレーターが極めて高い温度と圧力を発生させる衝突によって形成されたことを証明した。彼らはこの発見に続き、ネルトリンガー・リースのスエバイトの中にコーサイトを発見し、衝突起源であることを証明した。[ 13 ]
衝撃変成の特徴に関する知識を武器に、カナダのブリティッシュコロンビア州ビクトリアにあるドミニオン天体物理観測所のカーライル・S・ビールズとその同僚、そしてドイツのテュービンゲン大学のヴォルフ・フォン・エンゲルハルトは、衝突クレーターの体系的な探索を開始した。1970年までに、彼らは暫定的に50以上のクレーターを特定した。彼らの研究は物議を醸したが、当時進行中だったアメリカのアポロ月面着陸計画は、月面での衝突クレーター形成率を認識することで、彼らの研究を裏付ける証拠を提供した。[ 15 ]月面の侵食プロセスは最小限であるため、クレーターは残存する。地球のクレーター形成率は月とほぼ同じであると予想されるため、地球は目に見えるクレーターを数えるだけでは分からないほど多くの衝突を受けてきたことが明らかになった。
衝突クレーターは、固体物体間の高速衝突によって形成され、その速度は通常、物体内の音速をはるかに超えます。このような超高速衝突は、通常の亜音速衝突では発生しない融解や蒸発などの物理的効果を生み出します。地球上では、大気圏を通過する際の減速効果を無視すると、宇宙からの物体との衝突速度の最低値は、重力脱出速度である約 11 km/s に等しくなります。最も速い衝突は、逆行するほぼ放物線軌道上の物体が地球に衝突する「最悪のケース」シナリオで、約 72 km/s [ 16 ]で発生します。地球上での衝突速度の中央値は約 20 km/s です。[ 17 ]
しかし、大気圏を通過する際の減速効果により、特に地球の大気質量の 90% が存在する最下層 12 キロメートルでは、衝突する可能性のある物体は急速に減速します。最大 7,000 kg の流星は、ある高度 (減速点) で大気抵抗により宇宙速度をすべて失い、地球の重力により再び加速し始め、最終的に0.09 ～ 0.16 km/s の終端速度 に達します。[ 16 ]流星体 (小惑星や彗星など) が大きいほど、初期の宇宙速度をより多く保持します。9,000 kg の物体は 元の速度の約 6% を保持しますが、900,000 kg の物体はすでに約 70% を保持しています。極めて大きな物体 (約 100,000 トン) は、大気によって全く減速されず、事前に崩壊しない限り、初期の宇宙速度で衝突します。[ 16 ]
このような高速での衝突は固体材料に衝撃波を発生させ、衝突体と衝突された物質の両方が急速に高密度に圧縮されます。最初の圧縮の後、高密度で過剰に圧縮された領域は急速に減圧し、激しく爆発して、衝突クレーターを生成する一連の事象を開始します。したがって、衝突クレーターの形成は、機械的変位よりも高性能爆薬によるクレーター形成により近い類似性があります。実際、衝突クレーターの形成に関与する一部の物質のエネルギー密度は、高性能爆薬によって生成されるエネルギー密度の何倍も高くなっています。クレーターは爆発によって引き起こされるため、ほぼ常に円形です。非常に低い角度の衝突のみが著しく楕円形のクレーターを引き起こします。[ 18 ]
これは固体表面への衝突について説明しています。ハイペリオンのような多孔質表面への衝突は、噴出物を伴わずに内部圧縮を引き起こし、近くのクレーターを埋めることなく表面に穴を開ける可能性があります。これが、その衛星の「スポンジ状」の外観を説明するかもしれません。[ 19 ]
衝突過程は、概念的には（1）初期接触と圧縮、（2）掘削、（3）変形と崩壊という3つの明確な段階に分けられると便利である。実際には、これら3つの過程は重複しており、例えば、ある地域ではクレーターの掘削が続いている一方で、別の地域では既に変形と崩壊が始まっているといった具合である。
大気が存在しない状況では、衝突過程は衝突体が標的表面に最初に接触した瞬間に始まります。この接触によって標的は加速し、衝突体は減速します。衝突体は非常に高速で移動しているため、減速が衝突体全体に伝播する短いながらも有限な時間内に、衝突体の後端はかなりの距離を移動します。その結果、衝突体は圧縮され、密度が上昇し、内部の圧力が劇的に増加します。大規模な衝突における最大圧力は1テラパスカルを超え、惑星内部の深部で通常見られる値、あるいは核爆発で人工的に発生する値に達します。
物理的には、衝撃波は接触点から発生します。この衝撃波が拡大するにつれて、衝突体は減速して圧縮され、標的は加速して圧縮されます。衝撃波内の応力レベルは固体材料の強度をはるかに超えるため、衝突地点に近い衝突体と標的の両方が不可逆的に損傷を受けます。多くの結晶性鉱物は衝撃波によって高密度相に変化する可能性があります。たとえば、一般的な鉱物である石英は、高圧形態のコーサイトやスティショバイトに変化する可能性があります。衝撃波が通過するにつれて、衝突体と標的の両方で他の多くの衝撃関連の変化が発生し、これらの変化の一部は、特定の地質学的特徴が衝突クレーターによって生成されたかどうかを判断するための診断ツールとして使用できます。[ 18 ]
衝撃波が減衰するにつれて、衝撃を受けた領域はより通常の圧力と密度に向かって減圧されます。衝撃波によって生じた損傷は、物質の温度を上昇させます。ごく小さな衝突を除いて、この温度上昇は衝突体を溶かすのに十分であり、より大きな衝突では、衝突体の大部分を蒸発させ、標的の大部分を溶かすのに十分です。衝突付近の標的は加熱されるだけでなく、衝撃波によって加速され、減衰する衝撃波の後ろで衝突から遠ざかり続けます。[ 18 ]
大きな衝突の場合、接触、圧縮、減圧、衝撃波の通過はすべて数十分の1秒以内に起こります。その後のクレーターの掘削はよりゆっくりと進行し、この段階では物質の流れはほぼ亜音速です。掘削中、加速された標的物質が衝突点から離れるにつれてクレーターは成長します。標的の動きは最初は下方かつ外側ですが、外側かつ上方に変わります。流れは最初はほぼ半球状の空洞を作り出し、それが成長を続け、最終的には中心部が押し下げられ、かなりの量の物質が噴出し、地形的に隆起したクレーターの縁が押し上げられた放物面（ボウル状）のクレーターを形成します。この空洞が最大サイズに達したとき、それは過渡空洞と呼ばれます。[ 18 ]
一時的なクレーターの深さは、通常、直径の4分の1から3分の1程度です。クレーターから噴出する物質には、一時的なクレーターの全深度から掘り出された物質は含まれません。通常、最大掘削深度は全深度の約3分の1程度です。その結果、一時的なクレーターの体積の約3分の1は物質の噴出によって形成され、残りの3分の2は物質が下方、外側、上方へ移動して隆起した縁を形成することによって形成されます。多孔質の物質への衝突の場合、細孔空間の永久的な圧縮によってもかなりのクレーター体積が形成されることがあります。このような圧縮クレーターは、多くの小惑星、彗星、小衛星において重要な役割を果たす可能性があります。
大規模な衝突では、クレーターを形成するために移動・噴出された物質に加えて、標的物質のかなりの量が、元の衝突体とともに溶融・蒸発する可能性がある。この衝突溶融岩石の一部は噴出されるが、大部分は一時的なクレーター内に留まり、最初は一時的な空洞の内側を覆う衝突溶融層を形成する。一方、高温高密度の蒸発物質は、成長する空洞から急速に膨張し、その過程で固体および溶融物質を運び出す。この高温の蒸気雲は膨張するにつれて上昇し、大規模な核爆発によって発生する典型的なキノコ雲のように冷却される。大規模な衝突では、膨張する蒸気雲は、大気のスケールハイトの何倍もの高さまで上昇し、事実上自由空間にまで広がる可能性がある。
クレーターから噴出した物質のほとんどはクレーター半径の範囲内に堆積するが、ごく一部は高速で長距離を移動し、大きな衝突では脱出速度を超えて衝突した惑星や衛星から完全に離れることもある。最も速い物質の大部分は衝突中心付近から噴出し、最も遅い物質は縁付近から低速で噴出し、縁のすぐ外側に反転したまとまった噴出物のひだを形成する。噴出物が成長するクレーターから脱出すると、逆円錐形の拡大するカーテンを形成する。カーテン内の個々の粒子の軌道は、ほぼ弾道的であると考えられている。
溶融しておらず、比較的衝撃を受けていない少量の物質は、標的の表面および衝突体の後方から非常に高い相対速度で剥離される可能性がある。剥離は、物質が惑星間空間にほぼ無傷で放出される可能性のあるメカニズムであり、また、大きな衝突であっても衝突体の少量の部分が無傷で保存される可能性のあるメカニズムでもある。衝突の初期には、ジェット噴射によって高速の物質が少量生成されることもある。これは、2つの表面が小さな角度で急速かつ斜めに収束するときに発生し、高温で強い衝撃を受けた物質が収束領域から衝突速度の数倍の速度で噴射される。
ほとんどの場合、一時的なクレーターは不安定で、重力によって崩壊します。 地球上の直径が約4km未満の小さなクレーターでは、クレーターの縁が限定的に崩壊し、クレーターの壁をデブリが滑り落ち、衝突溶融物がより深いクレーターに流れ込みます。結果として形成される構造は単純クレーターと呼ばれ、ボウル状のままで、表面的には一時的なクレーターと似ています。単純クレーターでは、元の掘削されたクレーターの上に崩壊角礫岩、噴出物、溶融岩のレンズ状の層が重なり、中央のクレーター底の一部が平坦になる場合もあります。
惑星の重力によって変化するある一定の閾値サイズを超えると、一時的な空洞の崩壊と変形ははるかに広範囲に及び、結果として生じる構造は複合クレーターと呼ばれます。一時的な空洞の崩壊は重力によって引き起こされ、中央領域の隆起と縁の内側への崩壊の両方を伴います。中央の隆起は、弾性力を持つ物質が元の形状に戻ろうとする過程である弾性反発の結果ではなく、むしろ崩壊は、強度がほとんどまたはまったくない物質が重力平衡状態に戻ろうとする過程です。
複合クレーターは中心部が隆起しており、一般的に広くて平坦で浅いクレーター底と段状の壁を持っています。最大サイズでは、1つ以上の外側または内側のリングが現れることがあり、その構造は衝突クレーターではなく衝突盆地と呼ばれることがあります。岩石惑星の複合クレーターの形態は、サイズが大きくなるにつれて規則的な順序に従っているようです。中央に地形のピークがある小さな複合クレーターは中央ピーククレーターと呼ばれ、たとえばティコがあります。中央のピークがピークのリングに置き換えられた中サイズのクレーターはピークリングクレーターと呼ばれ、たとえばシュレーディンガーがあります。最大のクレーターは複数の同心円状の地形リングを含み、多重リング盆地と呼ばれ、たとえばオリエンターレがあります。氷の天体（岩石天体とは対照的に）では、中央のピークではなく中央の窪みを持つ他の形態が現れ、最大サイズでは多くの同心円状のリングを含むことがあります。カリストのヴァルハラはこのタイプの例です。
衝突イベントから長い時間が経つと、クレーターは侵食、質量移動プロセス、粘性緩和によってさらに変化したり、完全に消滅したりすることがあります。これらの影響は、地球、タイタン、トリトン、イオなどの地質学的および気象学的に活発な天体で最も顕著です。しかし、カリストのようなより原始的な天体でも、大きく変化したクレーターが見つかることがあります。カリストでは、多くの古代のクレーターが明るいゴーストクレーター、またはパリンプセストに平坦化しています。[ 21 ]衝突イベントは通常、熱水活動と循環が活発になる期間を特徴としています。フィンランドのラッパヤルヴィでの研究では、研究者たちは、温度が居住可能な条件まで冷えた熱水循環の後期段階で、微生物が衝突溶融岩にコロニーを形成したことを突き止めることができました。[ 22 ]
非爆発性の火山クレーターは、通常、その不規則な形状と、火山流やその他の火山物質の関連性によって、衝突クレーターと区別できます。衝突クレーターも溶融岩石を生成しますが、通常はより少量で、特性が異なります。[ 6 ]
衝突クレーターの特徴的な痕跡は、シャッターコーン、溶融岩石、結晶変形などの衝撃変成作用を受けた岩石の存在である。問題は、これらの物質が、少なくとも単純なクレーターでは深く埋まっている傾向があることである。しかし、複雑なクレーターの隆起した中心部では露出している傾向がある。[ 23 ] [ 24 ]
衝突によって生じる特徴的な衝撃変成作用により、衝突地点を明確に識別することが可能になる。こうした衝撃変成作用には以下のようなものがある。
地球上では、衝突クレーターによって有用な鉱物が産出されています。地球上で衝突に関連する影響によって産出される鉱石には、鉄、ウラン、金、銅、ニッケルの鉱石などがあります。衝突構造から採掘される物質の価値は、北米だけでも年間50億ドルと推定されています。[ 30 ]衝突クレーターの最終的な有用性は、いくつかの要因、特に衝突を受けた物質の性質と物質が影響を受けた時期に依存します。場合によっては、堆積物がすでに存在していて、衝突によって地表に運ばれてきたことがあります。これらは「原始的経済堆積物」と呼ばれます。他の堆積物は、実際の衝突中に形成されました。関与した膨大なエネルギーによって溶融が起こりました。このエネルギーの結果として形成された有用な鉱物は、「同源的堆積物」に分類されます。3番目のタイプは「後生的堆積物」と呼ばれ、衝突によって盆地が形成されることによって生じます。現代の生活で依存している鉱物の多くは、過去の衝突に関連しています。ウィットウォーターズランド盆地の中央にあるフレデフォードドームは世界最大の金鉱床であり、衝突構造で採掘された金の約40%を供給している（ただし、金は隕石から来たものではない）。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]この地域に衝突した小惑星は幅9.7 km（6マイル）だった。サドベリー盆地は直径9.7 km（6マイル）を超える天体の衝突によって形成された。 [ 35 ] [ 36 ]この盆地はニッケル、銅、白金族元素の鉱床で有名である。カナダのサスカチュワン州にあるカーズウェル構造の形成には衝突が関わっており、ウラン鉱床が含まれている。[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]炭化水素は衝突構造の周辺でよく見られる。北米の炭化水素を含む堆積盆地にある衝突構造の50%には、石油/ガス田が存在する。[ 40 ] [ 30 ]また、スウェーデンのシルヤン衝突クレーターにも炭化水素が存在する。[ 41 ]
地球上では、衝突クレーターの発見は地質学の一分野であり、他の惑星の研究においては惑星地質学と関連している。数多くのクレーター候補が提唱されているが、実際に確認されているのはごくわずかである。以下に挙げる20件は、確認済みで十分に記録された衝突地点に関する論文のサンプルである。
地球影響データベース[ 42 ]を参照してください。これは190（ 2019年7月現在）に関するウェブサイトです。 地球上で科学的に確認された衝突クレーター。
月には直径300kmを超える衝突クレーター/盆地が約12個、水星には5個、火星には4個存在する。 [ 43 ]土星の衛星ディオネ、レア、イアペトゥスにも、名前のないものもありますが、ほとんどが直径300km未満の大きな盆地が 見られる。
衝突の時期（2010年7月から2012年5月まで）は、同じ場所を撮影した2枚の異なるContext Camera写真の撮影間隔を表している。
ウィキメディア・コモンズにある、衝突クレーターに関連するメディア
