[論文レビュー] A study of the link between cosmic rays and clouds with a cloud chamber at the CERN PS

The Cloud Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2001

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、宇宙線が大気中のエアロゾル核生成および雲凝結核への成長を促進することで雲形成に影響することを検証するため、CERNのプロトンシンクロtronにおけるCLOUD実験を提案している。制御された雲室に調整可能な粒子ビームを用い、大気中エアロゾルおよび雲滴の活性化に及ぼすイオン化の微物理的効果を正確に分離・測定することを目的としている。これは、正確に再現可能な対流圏条件を模擬した環境下での実験である。

ABSTRACT

Recent satellite data have revealed a surprising correlation between galactic cosmic ray (GCR) intensity and the fraction of the Earth covered by clouds. If this correlation were to be established by a causal mechanism, it could provide a crucial step in understanding the long-sought mechanism connecting solar and climate variability. The Earth's climate seems to be remarkably sensitive to solar activity, but variations of the Sun's electromagnetic radiation appear to be too small to account for the observed climate variability. However, since the GCR intensity is strongly modulated by the solar wind, a GCR-cloud link may provide a sufficient amplifying mechanism. Moreover if this connection were to be confirmed, it could have profound consequences for our understanding of the solar contributions to the current global warming. The CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) project proposes to test experimentally the existence a link between cosmic rays and cloud formation, and to understand the microphysical mechanism. CLOUD plans to perform detailed laboratory measurements in a particle beam at CERN, where all the parameters can be precisely controlled and measured. The beam will pass through an expansion cloud chamber and a reactor chamber where the atmosphere is to be duplicated by moist air charged with selected aerosols and trace condensable vapours. An array of external detectors and mass spectrometers is used to analyse the physical and chemical characteristics of the aerosols and trace gases during beam exposure. Where beam effects are found, the experiment will seek to evaluate their significance in the atmosphere by incorporating them into aerosol and cloud models.

研究の動機と目的

• 宇宙線がエアロゾルの核生成および雲凝結核（CCN）への成長を促進するという仮説を実験的に検証すること。これは、地球のアルベドに影響を与える可能性がある。
• 大気中での雲形成において、イオン誘導核生成またはイオン補助成長が果たす役割が顕著であるかどうかを調査すること。
• 宇宙線によるイオン化が、制御された大気条件下で既存エアロゾルが雲滴に活性化するのを影響するかどうかを特定すること。
• 宇宙線によるイオン化が、過冷却雲滴における氷核形成に寄与する可能性があるかどうかを調査すること。
• 宇宙線と雲量変動の関連を説明する微物理的メカニズムを分離・測定できる制御された実験環境を提供し、気候科学における主要な不確実性を解消すること。

提案手法

• CERNのプロトンシンクロtron（PS）に設置された大規模で温度・湿度が制御された雲室を用い、対流圏条件を再現すること。
• 宇宙線に類似した粒子ビームを、正確に調整可能な形で雲室に照射し、ガリラクティック宇宙線を模擬すること。
• 既知の濃度で希少ガス（例：H₂SO₄、NH₃、SO₂、HNO₃）およびエアロゾルを制御的に導入し、核生成および成長過程を研究すること。
• 光学的および電気的検出法を用いて、エアロゾルの数密度、粒子径分布、および雲滴への活性化を測定すること。
• イオン質量分光法および粒子カウンターを用いて、イオンクラスターの分析と核生成イベントにおけるその役割を評価すること。
• 圧力、温度、湿度、イオン化レベルを系統的に変化させ、宇宙線由来のイオン化効果を分離・特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線によるイオン化は、硫酸やアンモニアなどの希少ガスから新規エアロゾル粒子の核生成速度を向上させるか？
• RQ2 大気条件下で、イオンはナノスケールのエアロゾルが雲凝結核（CCN）に成長する過程にどの程度寄与するか？
• RQ3 既存エアロゾルのイオン誘導活性化は、粒子が雲滴に成長する割合を増加させるか？
• RQ4 宇宙線由来のイオン化は、過冷却水滴における氷核形成を促進するか？
• RQ5 イオン化がエアロゾル形成および雲滴活性化に及ぼす観察された効果は、宇宙線フラックスと全球雲量の間の観察された相関と整合的か？

主な発見

• CLOUD実験は、宇宙線がイオン誘導核生成というメカニズムを通じて雲形成に影響することを検証する仮説を検証することを目的として設計された。この仮説は、宇宙線強度と雲量の間の観察された相関を説明するものである。
• 実験は、正確に制御された大気条件下で、イオン化の微物理的効果がエアロゾル形成および成長に与える影響を分離・測定することを目的としていた。
• CERN PSで使用された粒子ビームにより、自然変動の混在する状況を避ける制御された環境で宇宙線効果を模擬する独自の機会が得られた。
• 雲室は、対流圏を模倣する低過飽和状態（1–2%）で動作するように設計された。これは、歴史的なウィルソン雲室で用いられる高過飽和状態（500–600%）とは対照的である。
• 初期の実験プログラムには、硫酸-アンモニア核生成、既存エアロゾルの活性化、イオン化放射線下での凝縮可能蒸気の生成に関する研究が含まれた。
• ビーム照射後の生成物の化学的・物理的分析を可能にするために、初期ガス混合物およびエアロゾル含有量の制御の重要性が強調された。