[論文レビュー] Rydberg Matter clusters of alkali metal atoms: the link between meteoritic matter, polar mesosphere summer echoes (PMSE), sporadic sodium layers, polar mesospheric clouds (PMCs, NLCs), and ion chemistry

Frans Olofson, Patrik Andersson+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2010

Astro and Planetary Science参考文献 68被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、主にナトリウムからなるアルカリ金属原子のRydberg Matter（RM）集合体が、流星微粒子の降下によって形成され、中層圏の複数の現象—極域中層圏夏期エコー（PMSE）、散発的ナトリウム層、極域中層圏高層雲（PMCs/NLCs）、イオン化学—を結びつけるものであると提唱する。RM集合体（例：N = 19, 37, 61 の NaN）は90 km高度に浮遊し、強い電波周波数相互作用を示し、PMSEを説明する。また、長波長で効率的に放射することで中層圏成層圏上層を約121 Kまで冷却し、氷粒子の凝結核としても機能する。これにより、従来は別個の理論として扱われてきた現象が統合的に説明可能になる。

ABSTRACT

A material exists which links together the influx of meteoritic matter from interplanetary space, the polar mesosphere summer echoes (PMSE), the sporadic sodium layers, the polar mesospheric clouds (PMCs, NLCs), and the observed ion chemistry in the mesosphere. The evidence in these research fields is here analyzed and found to agree well with the properties of Rydberg Matter (RM). This material has been studied with numerous methods in the laboratory. Alkali atoms, mainly Na, reach the mesosphere in the form of interplanetary (meteoritic, cometary) dust. The planar RM clusters NaN usually contain N = 19, 37 or 61 atoms, and have the density of air at 90 km altitude where they float. The diameters of the clusters are 10-100 nm from laboratory high precision radio frequency spectroscopic studies. Such experiments show that RM clusters interact strongly with radar frequencies: this explains the radio frequency heating and reflection studies of PMSE layers. The clusters give the low temperature in the mesosphere by efficient selective radiation at long wavelengths, which is observed in RF emission experiments. The lowest possible stable temperature of the mesopause is calculated for the first time to be 121 K in agreement with measurements, based on the strong optical activity at long wavelengths in RM. Sporadic sodium layers are explained in a unique way as due to shockwaves in the RM layers. Due to the high electronic excitation energy in RM clusters, they induce efficient reactions forming ions of all atoms and molecules in the atmosphere thus providing condensation nuclei for water vapour. This finally gives the visible part of the PMC structure. The present contribution fills the gap between and partially replaces the separate theories used to describe the various aspects of these intriguing phenomena.

研究の動機と目的

• PMSE、散発的ナトリウム層、PMCs、イオン化学といった、これまで別個に扱われてきた中層圏現象を、一つの物理的枠組みで統一すること。
• 中層圏で観測された成層圏上層温度最小値（約121 K）の起源を説明すること。
• アルカリ金属集合体を介した核生成機構を通じて、PMCsおよびNLCsの形成を説明すること。
• 既存理論における矛盾を解消するために、中層圏におけるRydberg Matter（RM）集合体の統合的役割を提唱すること。
• RM集合体が、上層大気で観測されたレーダーバックスキャッタ（PMSE）および光学／電波周波数放射現象を両方説明できることを示すこと。

提案手法

• 特に高精度な電波周波数分光法を用いた実験的RM集合体データの分析。
• 観測されたスペクトル共振に基づき、アルカリ原子（Na、K）を含むN = 19, 37, 61 のRM集合体の安定性と構造のモデル化。
• RMの強い長波長光学活性および放射冷却特性を用いて、成層圏上層の可能な最小安定温度を計算すること。
• RM集合体と電磁放射の相互作用を用いて、レーダーバックスキャッタ（PMSE）およびRF加熱効果を説明すること。
• RMの高い電子励起エネルギーを応用し、大気中のイオン形成および凝結核の生成経路を説明すること。
• 観測された層の形状とタイミングに基づき、衝撃波誘発ナトリウム層形成とRM層ダイナミクスの相関をとること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルカリ金属のRydberg Matter（RM）集合体は、80–90 km高度の極域中層圏夏期エコー（PMSE）をどのように説明するのか？
• RQ2 RM集合体が、成層圏上層で観測された121 Kの最小温度をどのように説明する物理的メカニズムを持つのか？
• RQ3 RM集合体はどのようにして水蒸気の凝結核として機能し、極域中層圏高層雲（PMCs/NLCs）の形成を引き起こすのか？
• RQ4 衝撃波相互作用を通じて、RM集合体は散発的ナトリウム層の形成にどのように関与するのか？
• RQ5 RM集合体の高い電子励起エネルギーは、中層圏におけるイオン化学をどのように生じさせるのか？

主な発見

• ナトリウムを主成分とするアルカリ金属のRydberg Matter（RM）集合体（N = 19, 37, 61 原子）は安定であり、空気密度が同程度の90 km高度に浮遊する。
• 実験室でのRF分光法により、RM集合体がレーダ周波数と強く相互作用することを確認し、PMSEバックスキャッタの直接的説明が可能である。
• RMの強い長波長光学活性および放射冷却効率を基に、成層圏上層の温度最小値が121 Kであると計算される。
• RM集合体は長波長で効率的に放射するため、中層圏における観測された低温環境を説明できる。
• 散発的ナトリウム層は、RM層を通過する衝撃波によって誘発され、局所的なナトリウム濃縮が生じることで説明される。
• RM集合体に内在する高い電子励起エネルギーが、効率的なイオン化および反応経路を駆動し、イオンの形成とPMCsにおける水氷の凝結核の供給を可能にする。