クラウド実験

宇宙線放出屋外飛沫（CLOUD）^[1]は、CERNでジャスパー・カークビー率いる研究者グループが、制御された条件下で銀河宇宙線（GCR）とエアロゾル間の微物理学を調査するために行っている実験です。これは、2000年に最初に提案されましたが、2009年11月に運用が開始された固定ターゲット実験です。^[2^]

主な目的は、銀河宇宙線（GCR）がエアロゾルと雲に与える影響と、気候への影響を理解することです。その設計は、宇宙線が雲粒子の核を形成する可能性（例えば、Henrik Svensmarkと同僚^[4]によって提起された）に対処するように最適化されていますが、CLOUDでは、制御された実験室条件下でのエアロゾルの核形成と成長を測定することもできます。大気エアロゾルとそれが雲に与える影響は、雲量の増加が地球温暖化を軽減するため、現在の放射強制力と気候モデルにおける不確実性の主な原因としてIPCCによって認識されています。

設定

実験の中心は、液体窒素と液体酸素から作られた合成空気で満たされた容積 26 m ³のステンレス鋼製チャンバーです。チャンバーの雰囲気と圧力は、さまざまな機器によって測定および調整されています。エアロゾルチャンバーは、さまざまな高度または緯度で GCR をシミュレートする調整可能な粒子ビームにさらすことができます。紫外線照射により光分解反応が可能になります。チャンバーには、小さなイオンと帯電したエアロゾルのドリフトを制御するための電界ケージが含まれています。^[1]宇宙線によって生成されたイオン化は、強力な電界で除去できます。さらに、チャンバー内の湿度と温度を調整できるため、人工雲 (霧箱と比較) や氷の微物理学の実験のための急速な断熱膨張が可能になります。カークビーによると、「実験室での実験の清潔さと制御のレベルは現在の技術の限界であり、CERN のノウハウは、CLOUD がこのパフォーマンスを達成した最初の実験であるため、非常に重要でした。」^[5]

結果

CERNは2009年にCLOUDプロジェクトの進捗報告書を発表しました。^[6] J. Kirkby (2009)はCERN CLOUDプロジェクトの進展と計画されたテストについてレビューしています。彼はエネルギー的に有利でGCRに依存する雲核形成メカニズムについて説明しています。^[7]^[8]

2011年8月24日、ネイチャー誌に掲載された予備研究で、宇宙線とエアロゾル核形成の間には関連があることが示された。カークビーはCERNの決定的なプレスリリースで「イオン増強は中層対流圏以上の低温で特に顕著であり、CLOUDは硫酸と水蒸気が追加の蒸気を必要とせずに核形成できることを発見した。」と述べた。^[9]

最初のCLOUD実験では、硫酸（化石燃料が主な発生源である二酸化硫黄から生成される）自体の影響は、想定されていたよりもはるかに小さいことが示されました。2014年に、CLOUDの研究者は、酸化された生物起源の蒸気（樹木から放出されるαピネンなど）と硫酸の相互作用を示す新しい実験結果を発表しました。銀河宇宙線によって大気中に生成されるイオンは、硫酸と酸化された有機蒸気の濃度が非常に低い場合、これらの粒子の形成率を大幅に高めます。この新しいプロセスは、北半球の夏に地球全体の樹木からの排出量が増加することに関連している大気エアロゾル粒子の季節変動を説明する可能性があります。^[5]

植物によって生成される生物起源の蒸気のほかに、別の種類の微量蒸気であるアミンが硫酸とクラスターを形成して大気中に新しいエアロゾル粒子を生成することが CLOUD によって示されています。これらは、たとえば畜産業などの主要な発生源の近くで見つかります。一方、α-ピネンは一般に陸地上に見つかります。実験では、低濃度の硫酸と酸化有機蒸気が適切な粒子核形成率を再現することが示されている。全球エアロゾルモデルで使用される核形成メカニズムは、観測結果とよく一致する、光化学的および生物学的に駆動される粒子濃度と雲形成の季節サイクルを生み出します。CLOUD は、硫酸と生物起源のエアロゾルを含む下層大気中の雲の種の大部分を説明できる範囲で役立ちます。^[10] CLOUDの研究者は、宇宙線が硫酸-アミン粒子の形成にほとんど影響を与えないことを指摘している。「イオン誘発の寄与は一般的に小さく、硫酸-ジメチルアミンクラスターの高い安定性を反映しており、銀河宇宙線は、全体的な形成率が低い場合を除き、その形成にわずかな影響しか与えないことを示している。」^[11]この結果は、宇宙線が気候に大きな影響を与えるという仮説を支持するものではないが、CERNのプレスリリースでは、気候における「宇宙放射線の役割を排除するものではない」と述べている。^[12]

Dunneら（2016）は、CERNで実施されたCLOUD実験で得られた10年間の主な成果を発表した。彼らは、エアロゾル形成の物理化学的メカニズムと動力学を詳細に研究した。CLOUD実験で再現され、地球の大気でも直接観測された、水蒸気からの水滴/氷の微結晶の核形成プロセスは、宇宙線によるイオン形成だけでなく、硫酸、アンモニア、人間の活動や陸上や海洋に生息する生物（プランクトン）によって大気中に放出される有機化合物との一連の複雑な化学反応も伴う。^[13]彼らは、雲核の一部が宇宙線と地球大気の成分との相互作用による電離によって効果的に生成されることを観察しているが、このプロセスだけでは、現在の気候変化のすべてを、太陽活動と地球磁気圏の変化によって変調された宇宙線強度の変動に帰するには不十分である。

参考文献

^ ab CLOUD公式サイト
^ CLOUD実験は雲の形成に関する前例のない洞察を提供する、CERN
^ The Cloud Collaboration (2001-04-16). 「CERN PS の霧箱による宇宙線と雲の関係の研究」. arXiv : physics/0104048 .
^ Svensmark, Henrik; Friis-Christensen, Eigil (1997-07-01). 「宇宙線フラックスと全球雲量の変動 - 太陽と気候の関係における欠けているリンク」. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics . 59 (11): 1225–1232. Bibcode :1997JASTP..59.1225S. doi :10.1016/S1364-6826(97)00001-1. ISSN 1364-6826.
^ ab 「CERNの実験が雲の形成に新たな光を当てる | CERN」home.cern . Dan Noyes. 2014年5月16日. 2015年12月2日閲覧。
^ 2009 PS215/CLOUD 進捗報告カークビー、ジャスパー、CLOUD コラボレーション、CERN、ジュネーブ、SPS および PS 実験委員会、CERN-SPSC-2010-013、2010 年 4 月 7 日
^ 宇宙線と気候ビデオジャスパー・カークビー、CERNコロキウム、2009年6月4日
^ 宇宙線と気候に関するプレゼンテーションジャスパー・カークビー、CERN コロキウム、2009 年 6 月 4 日
^ カークビー、ジャスパー;クルティウス、ヨアヒム。アルメイダ、ジョアン。ダン、アイミア。デュプリシー、ジョナサン。エアハルト、セバスチャン。フランチン、アレッサンドロ。ガニェ、ステファニー。イクス、ルイーザ。キュルテン、アンドレアス。クプク、アグニエシュカ。メッツガー、アクセル。リッコボーノ、フランチェスコ。ロンド、リンダ。ショーベスベルガー、ジークフリート。ツァグコゲオルガス、ゲオルギオス。ウィマー、ダニエラ。アモリム、アントニオ。ビアンキ、フェデリコ。ブライテンレヒナー、マーティン。デビッド、アンドレ。ドメン、ヨーゼフ。ダウナード、アンドリュー。エーン、ミカエル。フラガン、リチャード C.ハイダー、ステファン。ヘンゼル、アルミン。ハウザー、ダニエル。ジャド、ヴェルナー。ジュニネン、ヘイキ。クライスル、フェビアン。クヴァシン、アレクサンダー。ラークソネン、アリ。レフティパロ、カトリアンヌ。リマ、ホルヘ。ラブジョイ、エドワード R.マフムトフ、ウラジーミル。マトー、セルジュ。ミッキラ、ジリ。ピエール・ミンジネット。モゴ、サンドラ。ニーミネン、トゥオモ。オンネラ、アンティ。ペレイラ、パウロ。ペタヤ、トゥッカ。ラルフ・シュニッツホーファー。サインフェルド、ジョン・H.シピラ、ミッコ。ストシコフ、ユーリ。フランク・ストラットマン。トメ、アントニオ。ヴァンハネン、ヨーナス。ヴィイサネン、イルジョ。ヴルタラ、アーロン。ワーグナー、ポール E.ワルサー、ハンズエリ。ワインガルトナー、アーネスト。ウェクス、ヘイケ。ウィンクラー、ポール M.カースロー、ケネス S.ワースノップ、ダグラス R. Baltensperger, Urs; Kulmala, Markku (2011-08-25). 「大気エアロゾル核形成における硫酸、アンモニア、銀河宇宙線の役割」(PDF) . Nature . 476 (7361): 429–433. Bibcode :2011Natur. 476..429K. doi :10.1038/nature10343. ISSN 0028-0836. PMID 21866156. S2CID 4326159.
^ リッコボーノ、フランチェスコ;ショーベスベルガー、ジークフリート。スコット、キャサリン E.ドメン、ヨーゼフ。オルテガ、イスマエル K.ロンド、リンダ。アルメイダ、ジョアン。アモリム、アントニオ。ビアンキ、フェデリコ (2014-05-16)。「生物起源の排出物の酸化生成物は、大気粒子の核生成に寄与する。」科学。344 (6185): 717–721。Bibcode :2014Sci...344..717R。土井：10.1126/science.1243527。ISSN 0036-8075。PMID 24833386。S2CID 206551402 。
^ Almeida et al. (2013) 大気中の硫酸アミン粒子核形成の分子論的理解。Nature、502:359-363。http://www.readcube.com/articles/10.1038/nature12663
^ 「CERNのCLOUD実験が気候変動に新たな光を当てる」2024年7月18日。
^ ダン、EM;ゴードン、H.クルテン、A.アルメイダ、J.デュプリシー、J.ウィリアムソン、C.オルテガ、IK;プリングル、KJ。アダモフ、A.バルテンスペルガー、米国;バーメット、P.ベンドゥーン、F.ビアンキ、F.ブライテンレヒナー、M.クラーク、A.クルティウス、J.ドメン、J.ニューメキシコ州ドナヒュー。エアハルト、S.フラガン、RC;フランチン、A.グイダ、R.ハカラ、J.ヘンゼル、A.ハインリッツィ、M.ヨキネン、T.カンガスルオマ、J.カークビー、J.クルマラ、M.クプク、A.ローラー、MJ。レフティパロ、Ｋ．マフムトフ、V。マン、G.マソット、S.メリカント、J.ミエッティネン、P.ネネス、A.オンネラ、A.ラップ、A. CLS、レディントン。リッコボノ、F.リチャーズ、NAD;リッサネン議員。ロンド、L.サーネラ、N.ショーベスバーガー、S.セングプタ、K.サイモン、M。シピラ、M.ジョンソン州スミス；ストズホフ、Y.トメ、A.トロストル、J.ワグナー、PE;ウィマー、D.ウィンクラー首相。 DR、ワースノップ。カンザス州カースロー (2016-12-02)。「CERN CLOUD 測定による地球規模の大気粒子形成」(PDF)。科学。354 (6316): 1119–1124。Bibcode :2016Sci...354.1119D. doi :10.1126/science.aaf2649. ISSN 0036-8075. PMID 27789796. S2CID 9426269.

外部リンク

TED@CERN
プロジェクトウェブサイト 2014-07-25 にWayback Machineでアーカイブ
INSPIRE-HEPのCLOUD実験記録

[CLOUD-1] CLOUD公式サイト

[CERN-2] CLOUD実験は雲の形成に関する前例のない洞察を提供する、CERN

[3] The Cloud Collaboration (2001-04-16). 「CERN PS の霧箱による宇宙線と雲の関係の研究」. arXiv : physics/0104048 .

[4] Svensmark, Henrik; Friis-Christensen, Eigil (1997-07-01). 「宇宙線フラックスと全球雲量の変動 - 太陽と気候の関係における欠けているリンク」. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics . 59 (11): 1225–1232. Bibcode :1997JASTP..59.1225S. doi :10.1016/S1364-6826(97)00001-1. ISSN 1364-6826.

[:0-5] 「CERNの実験が雲の形成に新たな光を当てる | CERN」home.cern . Dan Noyes. 2014年5月16日. 2015年12月2日閲覧。

[6] 2009 PS215/CLOUD 進捗報告カークビー、ジャスパー、CLOUD コラボレーション、CERN、ジュネーブ、SPS および PS 実験委員会、CERN-SPSC-2010-013、2010 年 4 月 7 日

[Kirk09V-7] 宇宙線と気候ビデオジャスパー・カークビー、CERNコロキウム、2009年6月4日

[Kirk09S-8] 宇宙線と気候に関するプレゼンテーションジャスパー・カークビー、CERN コロキウム、2009 年 6 月 4 日

[9] カークビー、ジャスパー;クルティウス、ヨアヒム。アルメイダ、ジョアン。ダン、アイミア。デュプリシー、ジョナサン。エアハルト、セバスチャン。フランチン、アレッサンドロ。ガニェ、ステファニー。イクス、ルイーザ。キュルテン、アンドレアス。クプク、アグニエシュカ。メッツガー、アクセル。リッコボーノ、フランチェスコ。ロンド、リンダ。ショーベスベルガー、ジークフリート。ツァグコゲオルガス、ゲオルギオス。ウィマー、ダニエラ。アモリム、アントニオ。ビアンキ、フェデリコ。ブライテンレヒナー、マーティン。デビッド、アンドレ。ドメン、ヨーゼフ。ダウナード、アンドリュー。エーン、ミカエル。フラガン、リチャード C.ハイダー、ステファン。ヘンゼル、アルミン。ハウザー、ダニエル。ジャド、ヴェルナー。ジュニネン、ヘイキ。クライスル、フェビアン。クヴァシン、アレクサンダー。ラークソネン、アリ。レフティパロ、カトリアンヌ。リマ、ホルヘ。ラブジョイ、エドワード R.マフムトフ、ウラジーミル。マトー、セルジュ。ミッキラ、ジリ。ピエール・ミンジネット。モゴ、サンドラ。ニーミネン、トゥオモ。オンネラ、アンティ。ペレイラ、パウロ。ペタヤ、トゥッカ。ラルフ・シュニッツホーファー。サインフェルド、ジョン・H.シピラ、ミッコ。ストシコフ、ユーリ。フランク・ストラットマン。トメ、アントニオ。ヴァンハネン、ヨーナス。ヴィイサネン、イルジョ。ヴルタラ、アーロン。ワーグナー、ポール E.ワルサー、ハンズエリ。ワインガルトナー、アーネスト。ウェクス、ヘイケ。ウィンクラー、ポール M.カースロー、ケネス S.ワースノップ、ダグラス R. Baltensperger, Urs; Kulmala, Markku (2011-08-25). 「大気エアロゾル核形成における硫酸、アンモニア、銀河宇宙線の役割」(PDF) . Nature . 476 (7361): 429–433. Bibcode :2011Natur. 476..429K. doi :10.1038/nature10343. ISSN 0028-0836. PMID 21866156. S2CID 4326159.

[10] リッコボーノ、フランチェスコ;ショーベスベルガー、ジークフリート。スコット、キャサリン E.ドメン、ヨーゼフ。オルテガ、イスマエル K.ロンド、リンダ。アルメイダ、ジョアン。アモリム、アントニオ。ビアンキ、フェデリコ (2014-05-16)。「生物起源の排出物の酸化生成物は、大気粒子の核生成に寄与する。」科学。344 (6185): 717–721。Bibcode :2014Sci...344..717R。土井：10.1126/science.1243527。ISSN 0036-8075。PMID 24833386。S2CID 206551402 。

[11] Almeida et al. (2013) 大気中の硫酸アミン粒子核形成の分子論的理解。Nature、502:359-363。http://www.readcube.com/articles/10.1038/nature12663

[12] 「CERNのCLOUD実験が気候変動に新たな光を当てる」2024年7月18日。

[13] ダン、EM;ゴードン、H.クルテン、A.アルメイダ、J.デュプリシー、J.ウィリアムソン、C.オルテガ、IK;プリングル、KJ。アダモフ、A.バルテンスペルガー、米国;バーメット、P.ベンドゥーン、F.ビアンキ、F.ブライテンレヒナー、M.クラーク、A.クルティウス、J.ドメン、J.ニューメキシコ州ドナヒュー。エアハルト、S.フラガン、RC;フランチン、A.グイダ、R.ハカラ、J.ヘンゼル、A.ハインリッツィ、M.ヨキネン、T.カンガスルオマ、J.カークビー、J.クルマラ、M.クプク、A.ローラー、MJ。レフティパロ、Ｋ．マフムトフ、V。マン、G.マソット、S.メリカント、J.ミエッティネン、P.ネネス、A.オンネラ、A.ラップ、A. CLS、レディントン。リッコボノ、F.リチャーズ、NAD;リッサネン議員。ロンド、L.サーネラ、N.ショーベスバーガー、S.セングプタ、K.サイモン、M。シピラ、M.ジョンソン州スミス；ストズホフ、Y.トメ、A.トロストル、J.ワグナー、PE;ウィマー、D.ウィンクラー首相。 DR、ワースノップ。カンザス州カースロー (2016-12-02)。「CERN CLOUD 測定による地球規模の大気粒子形成」(PDF)。科学。354 (6316): 1119–1124。Bibcode :2016Sci...354.1119D. doi :10.1126/science.aaf2649. ISSN 0036-8075. PMID 27789796. S2CID 9426269.

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