[論文レビュー] Beam Measurements of a CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) Chamber

J. Kirkby|ArXiv.org|Apr 12, 2001

Advanced Data Storage Technologies参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、宇宙線が雲の形成に与える影響を直接的にテストするため、CERNにおけるCLOUD実験を提案している。この実験では、制御された条件下でイオン化粒子ビームを用いて水滴の核生成を測定することで、宇宙線と雲の形成の直接的関連を確認または否定することを目的としている。温度および圧力制御されたチャンバーを用い、精密なイオン化制御を行うことで、大気の条件を再現し、宇宙線と雲カバーの直接的関連を解明する。本研究は、気候モデル構築および長期的気候予測に不可欠なデータを提供する。

ABSTRACT

A striking correlation has recently been observed between global cloud cover and the flux of incident cosmic rays. The effect of natural variations in the cosmic ray flux is large, causing estimated changes in the Earth's energy radiation balance that are comparable to those attributed to greenhouse gases from the burning of fossil fuels since the Industrial Revolution. However a direct link between cosmic rays and cloud formation has not been unambiguously established. We therefore propose to experimentally measure cloud (water droplet) formation under controlled conditions in a test beam at CERN with a CLOUD chamber, duplicating the conditions prevailing in the troposphere. These data, which have never been previously obtained, will allow a detailed understanding of the possible effects of cosmic rays on clouds and confirm, or otherwise, a direct link between cosmic rays, global cloud cover and the Earth's climate. The measurements will, in turn, allow more reliable calculations to be made of the residual effect on global temperatures of the burning of fossil fuels, an issue of profound importance to society. Furthermore, light radio-isotope records indicate a correlation has existed between global climate and the cosmic ray flux extending back over the present inter-glacial and perhaps earlier. This suggests it may eventually become possible to make long-term (10-1,000 year) predictions of changes in the Earth's climate, provided a deeper understanding can be achieved of the ``geomagnetic climate'' of the Sun and Earth that modulates the cosmic-ray flux.

研究の動機と目的

• 制御された大気条件下で、宇宙線が水滴の核生成に直接的に影響を与えるかどうかを実験的に特定すること。
• 観察された宇宙線フラックスと雲カバーの相関関係に関連して、宇宙線が地球規模の気候変動に果たす役割に関する科学的不確実性を解消すること。
• 気候モデルへの統合を目的として、イオン誘発核生成プロセスに関する定量的データを提供すること。
• 太陽が調整する宇宙線フラックスとその気候への影響を理解することで、長期的な気候予測を可能にすること。
• 過去の気候変動（特に現在の間氷期におけるもの）に宇宙線が寄与したという仮説を検証または反証すること。

提案手法

• 温度を-60 °Cから30 °C、圧力を真空から1.5 atmまで制御できる温度制御付きの雲チャネルを用い、対流圏の条件を再現する。
• ピストン機構を用いて断熱膨張を誘発し、急速な水滴成長を研究するとともに、水蒸気の過飽和度を微調整する。
• 宇宙線を模倣するイオン化粒子ビームを用い、フラックスおよびイオン化密度を調整可能にすることで、核生成効率を調査する。
• ステレオ顕微鏡カメラとフィルムまたはCCD読み取り方式を併用した二重光学系を導入し、直径0.5 μmまでの水滴を検出・測定可能とする。
• 入射ビームの強度および分布を測定するため、シンチレーションホドスコープを統合し、宇宙線の均一なシミュレーションを確保する。
• 液体ヘリウムバスに超断熱材および熱交換コイルを組み合わせ、0.01 K未満の温度安定性を達成し、過飽和度の精密制御を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線由来のイオン化放射線は、対流圏の条件下で水滴の核生成を促進するか？
• RQ2 エアロゾルおよび微量の凝縮可能な蒸気が、イオン誘発水滴形成に与える影響は何か？
• RQ3 核生成速度は、イオン化密度および粒子フラックスにどのように依存するか？
• RQ4 温度、圧力、および過飽和度のレベルは、イオン誘発核生成の効率にどのように影響するか？
• RQ5 宇宙線フラックスと全球的雲カバーの観察された相関関係は、大気中での直接的な微物理的メカニズムによって説明可能か？

主な発見

• CLOUD実験は、制御されたイオン化放射線下での最初の水滴形成の直接測定を可能とし、大気物理学における重要な空白を埋める。
• 水蒸気の過飽和度を0.05%以内に維持するためには、0.01 Kの温度安定性が必要である。
• チャネルは1 atmまで断熱膨張を再現可能であり、急速な水滴成長の時間スケールの研究が可能である。
• 0.5 μmの分解能を持つ光学検出により、光を散乱する最小の雲水滴の測定が可能である。
• ビームシステムは広い面積にわたって広がるように設計されており、準均一な宇宙線露出を模倣する。
• 本実験は、宇宙線が雲カバーの変化に寄与しているかどうかを解明することを目的としており、これは緑house効果とは独立して観察された気候変動の大部分を説明する可能性を秘めている。