2020 Fiscal Year Research-status Report
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20K03822
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
立川 真樹 明治大学, 理工学部, 専任教授 (60201612)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長島 和茂 明治大学, 理工学部, 専任教授 (70339571)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 氷晶の衝突帯電 / 光トラップ / 光の放射圧 |
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| 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ではない。
ミクロな電荷移動で起こる衝突帯電の機構を解明するには、物性論に基づいた考察とその根拠となるような実証実験が必要である。我々は、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、100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。
2020年度は、低温槽内で光トラップを構築し、空間捕捉した微小な氷結晶と別の氷晶を衝突させる実験を行った。ほとんどの場合、衝突した氷晶同士は合体してしまい、電荷分離を観測することができなかった。この原因の一つとして、氷晶の衝突速度が実際の雲中よりも1桁以上小さいことが考えられる。
そこで、光トラップを構成する対向レーザー光の光軸をあえてずらし、捕捉した氷晶にトラップ内での往復運動を誘起した。その結果、衝突速度は従来の3倍程度まで増加させることができたが、やはり衝突した氷晶は合体した。光トラップの光学系を大幅に変更し、衝突速度を向上させる工夫が必要である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2020年度初めの緊急事態宣言を受け、大学構内の立ち入りがしばらく制限されたため、当該研究を円滑に進めることができなかった。加えて、氷晶の運動観測に用いていた高速度カメラが不調をきたし、急遽新しいカメラを導入することになった。納品が秋口までずれ込んだことでさらに若干の遅れが生じたといえる。
また、実際にトラップされた氷晶と放射圧で加速された氷晶が衝突すると、そのほとんどは合体することが明らかになった。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ので、そのための実験条件を探る必要が生じた。合体の一因は、衝突速度が小さすぎることにあると推察されるが、その他にもトラップ環境の温度、湿度、氷晶の大きさ等も影響していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
衝突速度を向上させるために、対向するレーザー光軸を大きくずらすとともに焦点を並列させ、最大速度ですれ違う氷晶のオフセット衝突を誘起する。この光学配置ではトラップ機能が失われる代わりに、衝突速度は実際の雲中の速度に近づくと期待される。
また、氷晶の発生方法を精査しなおし、100ミクロン程度の大きい単結晶を生成する予定である。既に昨年度、低温槽の温度履歴に応じて、非常に大きく成長した六花状の氷晶が現れることを確認しており、それらを対象とした衝突実験を遂行していく。構造が複雑な結晶では、破壊による帯電現象も起こりえると期待している。
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| Causes of Carryover |
微細な次年度使用額（300円）が発生したが、今年度分として消耗品費にあてる。
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