Development of a theoretical model of nucleation for elucidating cosmic dust formation

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K03689
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 田中 今日子 東北大学, 理学研究科, 客員研究者 (70377993)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 核生成 / 宇宙ダスト / 氷 / 火星 / 雲

Outline of Annual Research Achievements

物質の相変化の初期に起こる核生成過程は星間ダストの進化や惑星形成過程および宇宙の固体物質循環を考える上で重要なプロセスである。本研究は地球・宇宙環境における固体微粒子（ダスト）の生成と進化に関する総合的な描像の構築を目指し、気相からの核生成や凝縮過程を理論モデルや分子シミュレーション等を用いて調べた。令和5年度は主に以下の研究を行った。
1．気体から固体への相変化について, 基板や不純物上に凝縮する不均質核生成では過飽和状態ではすぐに固化・結晶化が起きるが，均質核生成の場合には大きく描像が異なり、三重点以下で結晶化が期待される温度でも，過冷却液滴の生成が観測されている。しかしこのような非平衡状態における凝縮・結晶化過程を定量的に扱う理論モデルが乏しい現状にある。本研究では宇宙ダストの主要な成分である氷について、気相からの凝縮核生成と過冷却液滴の結晶化過程を考慮した理論モデルを用いて, 多段階核生成過程について調べた。凝縮過程は以前我々が行った分子動力学計算と整合的な核生成モデルを採用し、結晶化については以前我々が導いた結晶化モデル(Tanaka&Kimura2019)を用いた。本研究成果は、宇宙ダストの特徴を理論的に説明する方法の確立につながる。
2．地球型惑星の中間圏における雲（夜光雲）の生成過程についての理論的研究を行った。以前、我々が行った地球の夜光雲の生成メカニズムを検討する研究で用いた凝縮の理論モデル(Tanaka et al.2022)は火星の中間圏で観測される雲の生成メカニズムを調べる際にも有効である。火星大気で起こりうる温度、圧力、冷却速度等を用いて、大気の凝縮過程を均質核生成と不均質核生成の競合過程を考慮して検討することにより、雲の生成メカニズムを区別する条件式を導き、火星大気の観測データと比較した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] トロムソ大学(ノルウェー)
  • Country Name: NORWAY
  • Counterpart Institution: トロムソ大学
• [Int'l Joint Research] ブラウンシュヴァイク工科大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: ブラウンシュヴァイク工科大学
• [Int'l Joint Research] BIRA-IASB(ベルギー)
  • Country Name: BELGIUM
  • Counterpart Institution: BIRA-IASB
• [Journal Article] 大規模分子動力学計算および理論改良に基づく核生成の理解 (2024)
  • Author(s): 田中 今日子
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 93 Pages: 225～230
  • DOI: 10.11470/oubutsu.93.4_225
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 分子動力学計算と理論モデルによる希ガスと水の気相からの多段階核生成 (2023)
  • Author(s): 田中 今日子
  • Journal Title: 日本結晶成長学会誌 Volume: 50 Pages: 4-04(p.1-11)
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Multistep Nucleation process of Water (2024)
  • Author(s): 田中今日子, 木村勇気
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会
• [Presentation] TGO搭載分光器NOMADを用いた火星中間圏水氷雲における核生成機構の研究 (2024)
  • Author(s): 小泉海翔, 中川広務, 藤原均, 津田卓雄, 田中今日子, 木村勇気, 青木翔平, 寺田直樹, 笠羽康正, Ann Carine Vandaele, Ian Thomas, Bojan Ristic, Frank Daerden, Zachary Flimon, Yannick Willame, Jonathon P. Mason, Manish Patel, Giuliano Liuzzi, Giancarlo Bellucci, Jose Juan Lopez-Moreno
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会
• [Presentation] 水の多段階核生成過程 (2023)
  • Author(s): 田中今日子, 木村勇気
  • Organizer: 日本結晶成長学会
• [Presentation] 水蒸気の凝縮核生成および結晶化モデル (2023)
  • Author(s): 田中今日子, 木村勇気
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 鉄の気相からの凝縮核生成の分子動力学計算 (2023)
  • Author(s): 田中今日子, 木村勇気
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会
• [Presentation] 海外の観測ロケットによる微小重力環境を利用した宇宙ダストの合成実験 (2023)
  • Author(s): 木村勇気, 稲富裕光, 田中今日子, 齋藤史明, 千貝健, 森章一, 中坪俊一, 竹内伸介
  • Organizer: マイクログラビティ応用学会
• [Presentation] 非古典的核生成による先太陽系炭化チタン粒子の生成 (2023)
  • Author(s): 木村勇気, 稲富裕光, 田中今日子, 齋藤史明, 千貝健, 森章一, 中坪俊一, 竹内伸介, Coskun Aktas, Jurgen Blum
  • Organizer: 日本結晶成長学会
• [Presentation] 観測ロケットによる微小重力実験で見られた 非古典的核生成経由のダスト形成 (2023)
  • Author(s): 木村勇気, 稲富裕光, 田中今日子, 齋藤史明, 千貝健, 森章一, 中坪俊一, 竹内伸介, Coskun Aktas, Jurgen Blum
  • Organizer: 日本惑星科学会
• [Presentation] Multi-step crystallization processes of cosmic dust analogues founding in microgravity experiments (2023)
  • Author(s): Yuki Kimura, Kyoko K. Tanaka, Yuko Inatomi
  • Organizer: IUCr（国際結晶学連合）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mesospheric water ice cloud on Mars observed by TGO/NOMAD solar occultation (2023)
  • Author(s): 小泉海翔, 中川広務, 寺田直樹, 藤原均, 津田卓雄, 田中今日子, 木村勇気, 笠羽康正, 青木翔平, Frank Daerden, Ann Carine Vandaele, Ian Thomas, Bojan Ristic, Jon Mason, Yannick Willame, Manish Patel, Giancarlo Bellucci, Jose; Juan Lopez-Moreno, Giuliano Liuzzi, Zachary Flimon
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会
• [Presentation] TGO/NOMADの太陽掩蔽観測による火星中間圏水氷雲の核生成過程の解明 (2023)
  • Author(s): 小泉海翔, 中川広務, 寺田直樹, 藤原均, 津田卓雄, 田中今日子, 木村勇気, 笠羽康正, 青木翔平, Frank Daerden, Ann Carine Vandaele, Ian Thomas, Bojan Ristic, Jon Mason, Yannick Willame, Manish Patel, Giancarlo Bellucci, Jose; Juan Lopez-Moreno, Giuliano Liuzzi, Zachary Flimon
  • Organizer: 日本気象学会