火山爆発とそれに伴う流動現象の機構解明

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本年度は,「火道流モデル」および「火山噴煙モデル」の研究について以下のような成果が得られた.火道流モデルについては,定常流モデルについて,地質学的条件やマグマ物性に対する依存性,さらに,その性質が気泡の核形成・成長,マグマの破砕,脱ガス作用という素過程に強く依存することが示された.特に,本年度は,気相と液相の相対速度がある場合の定常流について半解析解が得られた.又,非定常火道流モデルに基づいて,ドーム噴火の噴出率変動に関する解析が進められ,定常的なドーム噴火が不安定となって噴出率変動が発生する条件について解析解が得られた.これらの火道流モデルに関連する素過程の物理について,高粘性流体・粘弾性物質の急減圧流動装置及び相変化を含む衝撃波管実験装置を用い,急減圧に伴う気泡の成長,破砕過程,高速流動現象を再現した.特に,破砕過程における脆性/延性遷移が粘弾性緩和時間に規定されていることを明確に示す実験結果が得られたことが,本年度の特筆すべき成果である.又,非常に高粘性のマグマに対する衝撃波管実験結果を定量的に再現する破砕基準を得た.上記の実験で観察される現象の基礎的な物理を解明するために,急減圧に伴う気相核形成の分子動力学モデルや粘弾性物質中の気泡の変形を再現する新数値手法が開発され,解析が進んだ.火砕流の発生条件,噴煙高度,傘型噴煙のダイナミックスを定量的に再現する3次元火山噴煙モデルを開発し,このモデルの火口における条件として火道流モデルの結果を採用することによって,火道流モデルと噴煙モデルを統合した「噴火シミュレータ基礎モデル」を構築した.又,小規模噴煙の観測データが蓄積され,経験則が確立された.火山噴煙・火砕流の素過程については,粉体の流動化に対する熱輸送の影響について離散要素法数値モデルが開発され,室内実験による検証が進められた.