光トラップを利用した氷晶の衝突帯電機構の解明

• Project/Area Number: 20K03822
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Meiji University
• Principal Investigator: 立川 真樹 明治大学, 理工学部, 専任教授 (60201612)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長島 和茂 明治大学, 理工学部, 専任教授 (70339571)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 氷晶の衝突帯電 / 光トラップ / 光の放射圧 / 放射圧 / 氷晶 / 衝突帯電 / 雷

Outline of Research at the Start

雷雲の中では、氷の粒子同士が互いに衝突することによって静電気を帯び、雷雲の下部に負の電荷が、上部に正の電荷が蓄積する。しかし、なぜ同じ物質である氷同士の衝突で正・負の電荷が生じるのか、またなぜ符号によって上下反対方向に運ばれるのかが解明されていない。
本研究は、光トラップによって氷晶を空中に静止させ、光の放射圧で加速した氷晶と衝突させて、帯電の様子をその場観測する。衝突する氷晶の形状・大きさ・衝突速度はもちろん、接触する結晶面までも指定したうえで、帯電状態を計測することが可能になる。衝突帯電の素過程まで掘り下げた実験データを提供し、雷雲の形成機構の理解を前進させることが本研究の目的である。

Outline of Annual Research Achievements

雷は最も身近な自然現象の一つだが、実はその発生機構は根本的なところがまだ解明されていない。雷雲の中では、氷の粒子同士が互いに衝突することによって静電気を帯び、雷雲の下部には負の電荷が上部には正の電荷が蓄積する。こうして蓄積した電気が空気の絶縁を破って地面や雲内に放電したものが雷である。しかし、同じ物質である氷同士の衝突で正・負の電荷が生じる理由、また、正・負の電荷が生じたとしても、符号によって上下反対方向に運ばれる理由が明らかになっていない。
本研究では、光トラップによって氷の微結晶を空中に静止させ、光の放射圧で加速した氷晶を衝突させて帯電の様子をその場観測する。衝突する氷晶の形状・衝突速度等を厳密に指定した実験から帯電の極性を決める属性を明らかにし、百年来の課題である雷雲の電荷分離機構の理解を前進させることが本研究の目的である。
前年度までの研究により、ほとんどの場合に、光トラップ内で衝突した氷晶同士は合体してしまうことが明らかになった。環境の温度を-５℃から-35℃まで変化させてもこの状況は変わらなかった。
そこで2022年度は、氷晶同士が分離衝突をする状況を作り出すために、一旦光トラップ内での衝突実験を離れ、細線上に成長したマクロな氷にレーザー光の放射圧で加速した氷晶を衝突させる実験を試みた。しかしながら、マクロな氷がレーザー光を吸収して融解してしまうことがわかり、この方法も断念することになった。放射圧による運動制御を前提とする限り、衝突させる氷晶の大きさには制限があると考えられる。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

研究の遅延を招いている最も大きな障壁は、光トラップ内で衝突した氷晶が合体してしまうことである。電荷分離が起きるには、衝突後に氷晶同士も分離しなければならない。合体の一因は衝突速度の不足と考えられるが、その他にもトラップ環境の湿度や氷晶の大きさなども影響している可能性がある。2022年度にはその打開策として、人工的に作り出したマクロな氷との衝突を試みたが、上述の理由で不調に終わった。
光トラップ内の衝突においては、頻度は極めて少ないものの、分離衝突が起きていないわけではないので、温度や湿度、また氷晶の大きさや運動状態を緻密に制御しながら、最適な条件を探るほかないかもしれない。
尚、以上の経緯を踏まえ、研究期間の1年延長を申請した。

Strategy for Future Research Activity

これまでの実験結果によると、分離衝突の可能性を大きくする対策として、①衝突速度が大きくなる数十ミクロン以上の氷晶を効率よく生成すること、②氷晶の破壊を伴うオフセット衝突を誘発することが挙げられる。後者については、レーザー光軸をずらすことで実現可能であることがわかっており、新しい光学設計を導入して再度光トラップを用いた氷晶の衝突実験を試みる。
一方、同じ物質である氷晶同士の衝突で正・負の電荷分離が生じる要因の一つに、２つの氷晶の温度差が挙げられる。これを検証するには、氷晶の温度を決定する必要がある。これまで低温槽の環境温度は測定してきたが、レーザー光の照射を受けた氷晶は加熱されているはずなので、直接的な温度測定が不可欠である。そこで、2023年度には並行して、光トラップ内の氷晶の温度計測法の開発を行う。非接触測定法としては放射温度計測が有力だが、サーモカメラなどの通常計測器はマクロな対象を前提としているため、ミクロンレベルの微粒子からの熱放射特性を把握したうえで適切に補正を施す必要がある。