Bubble coalescence in magma: Theory testing based on experiments and Application to natural clasts

火山噴出物に残された気泡組織の逆問題を解くことを目的として、本研究は気泡の合体過程を物理・地質の双方から研究するものである。今年度は、3次元の気泡合体の解明を目的として、研究を進めた。まず、気泡の合体過程を3次元下で観察できるような、新たな実験装置を開発した。高粘性液体の中に気泡を入れ、圧力を大気圧から下げることで、気泡の膨張と合体をその場観察することが出来た。ビデオカメラで気泡合体を撮影し、画像解析によって、合体のタイムスケールを計測した。解析の結果、気泡の合体過程は、キャピラリー数という無次元数に支配されていることがわかった。これは、粘性応力と表面張力の競合を表す無次元数である。実験結果より、キャピラリー数の増加に伴い、気泡の合体タイムスケールは、表面張力が支配する領域から、気泡成長が支配する領域に遷移することがわかった。また、簡単なスケーリング解析に基づき、気泡の合体タイムスケールに関する半経験的な式を導出することに成功した。このタイムスケールは、既存の合体実験結果と整合的であり、粘性率だけでなく、気泡の成長速度も大事な要因であることを強く示唆している。また、合体により、気泡の数密度が変化することが、先行研究で既に知られていた。そこで、先行研究の実験結果と比較したところ、その気泡数密度は、本実験のスケーリングで綺麗に説明することがわかった。気泡数密度は、マグマ上昇速度を反映する最も重要な観測量の一つである。本実験を発展させることにより、天然の火山噴出物の気泡数密度から、粘性率や気泡成長速度を推定することが出来る可能性がある。

火山噴出物に残された気泡組織の逆問題を解くことを目的として、本研究は気泡の合体過程を物理・地質の双方から研究するものである。今年度は、3次元の気泡合体の解明を目的として、研究を進めた。まず、気泡の合体過程を3次元下で観察できるような、新たな実験装置を開発した。高粘性液体の中に気泡を入れ、圧力を大気圧から下げることで、気泡の膨張と合体をその場観察することが出来た。ビデオカメラで気泡合体を撮影し、画像解析によって、合体のタイムスケールを計測した。解析の結果、気泡の合体過程は、キャピラリー数という無次元数に支配されていることがわかった。これは、粘性応力と表面張力の競合を表す無次元数である。実験結果より、キャピラリー数の増加に伴い、気泡の合体タイムスケールは、表面張力が支配する領域から、気泡成長が支配する領域に遷移することがわかった。また、簡単なスケーリング解析に基づき、気泡の合体タイムスケールに関する半経験的な式を導出することに成功した。このタイムスケールは、既存の合体実験結果と整合的であり、粘性率だけでなく、気泡の成長速度も大事な要因であることを強く示唆している。また、合体により、気泡の数密度が変化することが、先行研究で既に知られていた。そこで、先行研究の実験結果と比較したところ、その気泡数密度は、本実験のスケーリングで綺麗に説明することがわかった。気泡数密度は、マグマ上昇速度を反映する最も重要な観測量の一つである。本実験を発展させることにより、天然の火山噴出物の気泡数密度から、粘性率や気泡成長速度を推定することが出来る可能性がある。