[논문 리뷰] Beam Measurements of a CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) Chamber

J. Kirkby|ArXiv.org|2001. 04. 12.

Advanced Data Storage Technologies참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CERN에서 우주선이 구름 형성에 영향을 미치는지 직접적으로 검증하기 위해, 제어된 조건에서 이온화 입자 빔을 사용하여 수증기 응결을 측정하는 CLOUD 실험을 제안한다. 온도와 압력가 조절된 실내에서 정밀한 이온화 조절을 통해 대기 조건을 시뮬레이션함으로써, 우주선과 구름 형성 간의 직접적 연관성을 확인하거나 부정하고, 기후 모델링과 장기 기후 예측에 핵심적인 데이터를 제공하고자 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제어된 대기 조건에서 우주선이 직접적으로 수증기 응결에 영향을 미치는지 실험적으로 규명하는 것.
• 관측된 우주선 플럭스와 구름 커버 간의 상관관계와 관련하여, 우주선이 글로벌 기후 변동성에 미치는 역할에 대한 과학적 불확실성을 해결하는 것.
• 기후 모델에 통합하기 위한 이온 유도 응결 과정에 대한 정량적 데이터를 제공하는 것.
• 태양에 의해 조절되는 우주선 플럭스와 그 기후적 영향을 이해함으로써 장기 기후 예측을 가능하게 하는 것.
• 과거 기후 변화, 특히 현재 간빙기 동안의 기후 변화에 우주선이 기여했을 가능성에 대한 가설을 검증하거나 반증하는 것.

제안 방법

• 온도는 -60 °C에서 30 °C, 압력는 진공에서 1.5 atm까지 조절 가능한 온도 제어형 구름 챔버를 사용하여 대류권 조건을 시뮬레이션한다.
• 피스톤 시스템을 활용하여 등온팽창을 유도함으로써 급속한 수증기 응결 성장 현상을 연구하고, 수증기 과포화도를 정밀하게 조절한다.
• 우주선을 시뮬레이션하는 이온화 입자 빔을 사용하며, 플럭스와 이온화 밀도를 조절 가능하게 하여 응결 효율을 탐색한다.
• 스테레오 현미경 카메라와 필름 또는 CCD 읽기 장치를 갖춘 이중 광학 시스템을 도입하여 직경 0.5 μm까지의 수증기 응결핵을 감지하고 측정한다.
• 입사 빔 강도와 분포를 측정하기 위해 산란 허도스코프를 통합하여 우주선 시뮬레이션의 균일성을 확보한다.
• 0.01 K 이내의 온도 안정성을 확보하기 위해 액체 헬륨 목욕과 초절연 및 열교환 코ils를 사용하여 과포화도를 정밀하게 제어한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기권 조건에서 우주선의 이온화 방사선이 수증기 응결핵 형성에 영향을 미치는가?
• RQ2 먼지 입자와 미세 응축성 수증기의 존재가 이온 유도 수증기 응결핵 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 응결핵 형성 속도는 이온화 밀도와 입자 플럭스에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 온도, 압력, 과포화도 조건이 이온 유도 응결의 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 우주선 플럭스와 전 세계 구름 커버 간의 상관관계는 대기 중 직접적인 미세물리적 메커니즘으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• CLOUD 실험은 제어된 이온화 방사선 조건에서 구름 형성의 첫 직접 측정을 제공할 수 있도록 설계되어 있으며, 대기 물리학 분야에서 핵심적인 빈도를 메우고 있다.
• 수증기 과포화도를 0.05% 이내로 유지하기 위해 0.01 K의 온도 안정성이 필요하다.
• 챔버는 1 atm까지의 등온팽창을 시뮬레이션할 수 있어 급속한 응결 성장 시간 스케일을 연구할 수 있다.
• 0.5 μm 해상도의 광학 감지 기술을 통해 빛을 산란시키는 가장 작은 구름 방울을 측정할 수 있다.
• 빔 시스템은 광범위한 영역에 걸쳐 퍼지도록 설계되어 실질적으로 균일한 우주선 노출을 모사한다.
• 실험은 우주선이 구름 커버 변화에 기여할 수 있는지를 규명하고자 하며, 이는 Greenhouse 기여 외부 요인으로서 관측된 기후 변동성의 상당 부분을 설명할 수 있을 것으로 기대된다.