[논문 리뷰] A study of the link between cosmic rays and clouds with a cloud chamber at the CERN PS

The Cloud Collaboration|arXiv (Cornell University)|2001. 04. 16.

Atmospheric Ozone and Climate인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 프로톤 시냅로트론에서 수행되는 CLOUD 실험을 제안하여, 우주선이 대기 중 에어로졸의 핵형성과 성장을 촉진함으로써 응결핵으로서의 에어로졸 형성에 영향을 미친다는 가설을 검증한다. 조절 가능한 입자 비임의 구름 챔버를 사용하여, 정밀하게 시뮬레이션된 대기압 조건에서 이온화의 미세물리적 영향을 고립하고 측정하고자 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주선이 대기 중 에어로졸의 핵형성과 응결핵으로서의 성장을 촉진함으로써 지구의 반사율에 영향을 줄 수 있다는 가설을 실험적으로 검증하기 위해.
• 이온 유도 핵형성 또는 이온 보조 성장이 대기 중 구름 형성에 중요한 역할을 하는지 조사하기 위해.
• 우주선에 의한 이온화가 제어된 대기 조건에서 기존의 에어로졸이 구름 수증기로 전환되는 데 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 초냉각된 구름 수증기 중에서 얼음 핵의 형성에 우주선이 기여할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 기후 과학에서 중요한 불확실성 중 하나인 우주선과 구름량 변동성 간의 연관성을 규명하기 위해, 우주선과 관련된 미세물리적 메커니즘을 고립하고 측정할 수 있는 통제된 실험 환경을 제공하기 위해.

제안 방법

• CERN의 프로톤 시냅로트론(PS)에서 대기압 조건을 정밀하게 제어하는 큰 온도 및 습도 제어 구름 챔버를 사용하여 대기압 조건을 시뮬레이션하기 위해.
• 은하수 우주선을 모의하기 위해 정밀하게 조절 가능한 양성자 빔을 사용하여 챔버를 조사하기 위해.
• 알려진 농도로 흔적 가스(H₂SO₄, NH₃, SO₂, HNO₃ 등)와 에어로졸을 제어적으로 도입하여 핵형성 및 성장 과정을 연구하기 위해.
• 광학적 및 전기적 검출 방법을 사용하여 에어로졸 수 농도, 크기 분포 및 구름 수증기로의 활성화를 측정하기 위해.
• 이온 클러스터와 그들이 핵형성 사건에 기여하는 방식을 분석하기 위해 이온 질량 분석법과 입자 카운터를 사용하기 위해.
• 압력, 온도, 습도 및 이온화 수준을 체계적으로 변화시켜 우주선에 의한 이온화 효과를 고립하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선에 의한 이온화가 황산 및 암모니아와 같은 흔적 가스에서 새로운 에어로졸 입자의 핵형성 속도를 증가시키는가?
• RQ2 대기 조건에서 나노미터 크기의 에어로졸이 응결핵(CC)으로 성장하는 데 이온이 얼마나 기여하는가?
• RQ3 기존의 에어로졸이 이온 유도 활성화를 통해 구름 수증기로 성장하는 입자 비율이 증가하는가?
• RQ4 우주선에 의한 이온화가 초냉각된 물 방울에서 얼음 핵의 형성에 기여할 수 있는가?
• RQ5 우주선 플럭스와 전 세계 구름량 간의 관측된 상관관계와 일치하는가, 이온화가 에어로졸 형성 및 구름 수증기 활성화에 미치는 영향은?

주요 결과

• CLOUD 실험은 우주선이 이온 유도 핵형성 메커니즘을 통해 구름 형성에 영향을 미친다는 가설을 검증하기 위해 설계되었으며, 이는 관측된 우주선 강도와 구름량 간의 상관관계를 설명하기 위해 제안된 메커니즘이다.
• 실험은 정밀하게 제어된 대기 조건에서 이온화의 미세물리적 영향이 에어로졸 형성 및 성장에 미치는 영향을 고립하고 측정하고자 하였다.
• CERN PS에서의 입자 빔을 사용함으로써, 자연적 변동성의 혼란 요인을 피한 채, 우주선 효과를 제어된 환경에서 시뮬레이션할 수 있는 고유한 기회를 제공하였다.
• 구름 챔버는 대기압 조건을 모의하기 위해 저과도 조건(1–2%)에서 작동하도록 설계되었으며, 이는 이전의 윌슨 구름 챔버에서 사용된 고과도 조건(500–600%)과 대조된다.
• 초기 실험 프로그램에는 황산-암모니아 핵형성, 기존 에어로졸의 활성화, 이온화 방사선 하에서 응축 가능한 수증기의 형성에 대한 연구가 포함되었다.
• 빔 노출 후 생성된 생성물의 화학적 및 물리적 분석을 가능하게 하기 위해, 초기 기체 혼합물과 에어로졸 농도를 제어하는 것이 중요하다는 점을 강조하였다.